Om leven in de ruimte te zoeken, astronomen moeten eerst weten waar ze moeten kijken. Een nieuwe studie van de Northwestern University zal astronomen helpen de zoektocht te verfijnen.

Het onderzoeksteam is de eerste die 3D-klimaatmodellering combineert met atmosferische chemie om de bewoonbaarheid van planeten rond M-dwergsterren te onderzoeken, die ongeveer 70% van de totale galactische bevolking uitmaken. Met behulp van dit hulpmiddel, de onderzoekers hebben de omstandigheden die een planeet bewoonbaar maken opnieuw gedefinieerd door rekening te houden met de straling van de ster en de rotatiesnelheid van de planeet.

Onder zijn bevindingen, het Noordwest-team, in samenwerking met onderzoekers van de University of Colorado Boulder, NASA's Virtual Planet Laboratory en het Massachusetts Institute of Technology, ontdekte dat alleen planeten die rond actieve sterren draaien - die veel ultraviolette (UV) straling uitstralen - veel water verliezen door verdamping. Planeten rond inactief, of stil, sterren hebben meer kans om levensondersteunend vloeibaar water vast te houden.

De onderzoekers ontdekten ook dat planeten met dunne ozonlagen, die anderszins bewoonbare oppervlaktetemperaturen hebben, gevaarlijke niveaus van UV-doseringen ontvangen, waardoor ze gevaarlijk zijn voor het complexe oppervlakteleven.

"Voor het grootste deel van de menselijke geschiedenis, de vraag of er ergens anders leven bestaat, hoorde alleen binnen het filosofische domein, " zei Howard Chen van Northwestern, de eerste auteur van de studie. "Het is pas in de afgelopen jaren dat we de modelleringstools en observatietechnologie hebben om deze vraag aan te pakken."

"Nog altijd, er zijn daar veel sterren en planeten, wat betekent dat er veel doelen zijn, " voegde Daniel Horton toe, senior auteur van de studie. "Onze studie kan helpen om het aantal plaatsen waar we onze telescopen moeten richten te beperken."

Het onderzoek wordt 14 november online gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift .

Horton is een assistent-professor aard- en planetaire wetenschappen aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. Chen is een Ph.D. kandidaat in Northwestern's Climate Change Research Group en een toekomstige NASA-onderzoeker.

De 'Goldilocks-zone'

Om het complexe leven te ondersteunen, planeten moeten vloeibaar water kunnen vasthouden. Als een planeet te dicht bij zijn ster staat, dan zal het water volledig verdampen. Als een planeet te ver van zijn ster verwijderd is, dan zal het water bevriezen, en het broeikaseffect zal het oppervlak niet lang genoeg warm kunnen houden. Dit Goudlokje-gebied wordt de 'circumstellaire bewoonbare zone' genoemd, " een term bedacht door professor James Kasting van Penn State University.

Onderzoekers hebben uitgezocht hoe dichtbij te dichtbij is voor een planeet om vloeibaar water in stand te houden. Met andere woorden, ze zijn op zoek naar de "binnenrand" van de bewoonbare zone.

"De binnenrand van ons zonnestelsel bevindt zich tussen Venus en de aarde, " legde Chen uit. "Venus is niet bewoonbaar; De aarde is."

Horton en Chen kijken verder dan ons zonnestelsel om de bewoonbare zones binnen M-dwergsterrenstelsels te lokaliseren. Omdat ze talrijk en gemakkelijker te vinden en te onderzoeken zijn, M dwergplaneten zijn koplopers geworden in de zoektocht naar bewoonbare planeten. Ze danken hun naam aan de kleine, koel, vage sterren waar ze omheen draaien, genaamd M dwergen of "rode dwergen".

Cruciale chemie

Andere onderzoekers hebben de atmosferen van M-dwergplaneten gekarakteriseerd door zowel 1D- als 3D-wereldklimaatmodellen te gebruiken. Deze modellen worden ook op aarde gebruikt om klimaat en klimaatverandering beter te begrijpen. Eerdere 3D-studies van rotsachtige exoplaneten, echter, hebben iets belangrijks gemist:chemie.

Door 3D klimaatmodellering te koppelen aan fotochemie en atmosferische chemie, Horton en Chen construeerden een completer beeld van hoe de UV-straling van een ster interageert met gassen, inclusief waterdamp en ozon, in de atmosfeer van de planeet.

In hun simulaties Horton en Chen ontdekten dat de straling van een ster een beslissende factor is bij het al dan niet bewoonbaar zijn van een planeet. specifiek, ze ontdekten dat planeten die rond actieve sterren draaien, kwetsbaar zijn voor het verliezen van aanzienlijke hoeveelheden water als gevolg van verdamping. Dit staat in schril contrast met eerder onderzoek met klimaatmodellen zonder actieve fotochemie.

Het team ontdekte ook dat veel planeten in de circumstellaire bewoonbare zone het leven niet in stand konden houden vanwege hun dunne ozonlagen. Ondanks het feit dat de oppervlaktetemperaturen anders bewoonbaar zijn, De ozonlagen van deze planeten laten te veel UV-straling door en dringen tot de grond door. Het stralingsniveau zou gevaarlijk zijn voor het oppervlakteleven.

"3-D-fotochemie speelt een grote rol omdat het zorgt voor verwarming of koeling, die de thermodynamica en misschien de atmosferische samenstelling van een planetair systeem kan beïnvloeden, Chen zei. "Dit soort modellen zijn niet echt gebruikt in de literatuur over exoplaneten die rotsachtige planeten bestuderen, omdat ze zo rekenkundig duur zijn. Andere fotochemische modellen die veel grotere planeten bestuderen, zoals gasreuzen en hete Jupiters, laten al zien dat je de chemie niet mag verwaarlozen bij het onderzoeken van het klimaat."

"Het was ook moeilijk om deze modellen aan te passen omdat ze oorspronkelijk waren ontworpen voor omstandigheden op aarde, "Zei Horton. "Het was een uitdaging om de randvoorwaarden te wijzigen en de modellen nog steeds succesvol te laten draaien."

'Zijn we alleen?'

Horton en Chen denken dat deze informatie astronomen zal helpen bij het zoeken naar leven elders. instrumenten, zoals de Hubble Space Telescope en James Webb Space Telescope, hebben de mogelijkheid om waterdamp en ozon op exoplaneten te detecteren. Ze moeten alleen weten waar ze moeten zoeken.

"'Zijn we alleen?' is een van de grootste onbeantwoorde vragen, Chen zei. "Als we kunnen voorspellen welke planeten het meest waarschijnlijk leven bevatten, dan komen we misschien veel dichter bij het beantwoorden ervan binnen ons leven."