In een generiek bakstenen gebouw aan de noordwestelijke rand van NASA's Goddard Space Flight Center-campus in Greenbelt, Maryland, duizenden computers verpakt in rekken ter grootte van automaten zoemen in een oorverdovend koor van data kraken. Dag en nacht, ze spugen 7 quadriljoen berekeningen per seconde uit. Deze machines staan ​​gezamenlijk bekend als NASA's Discover-supercomputer en ze zijn belast met het uitvoeren van geavanceerde klimaatmodellen om het toekomstige klimaat op aarde te voorspellen.

Maar nu, ze zoeken ook iets veel verder weg:of een van de meer dan 4, 000 merkwaardig vreemde planeten buiten ons zonnestelsel die in de afgelopen twee decennia zijn ontdekt, zouden leven kunnen ondersteunen.

Wetenschappers ontdekken dat het antwoord niet alleen ja is, maar dat het ja is onder een reeks verrassende omstandigheden in vergelijking met de aarde. Deze onthulling heeft velen van hen ertoe aangezet om te worstelen met een vraag die essentieel is voor NASA's zoektocht naar leven buiten de aarde. Is het mogelijk dat onze ideeën over wat een planeet geschikt maakt voor leven te beperkt zijn?

De volgende generatie krachtige telescopen en ruimteobservatoria zal ons zeker meer aanwijzingen geven. Met deze instrumenten kunnen wetenschappers voor het eerst de atmosferen analyseren van de meest verleidelijke planeten die er zijn:rotsachtige, zoals de aarde, die een essentieel ingrediënt voor leven zouden kunnen hebben - vloeibaar water - dat op hun oppervlak stroomt.

Voorlopig, het is moeilijk om verre atmosferen te onderzoeken. Een ruimtevaartuig naar de dichtstbijzijnde planeet buiten ons zonnestelsel sturen, of exoplaneet, zou 75 nemen, 000 jaar met de technologie van vandaag. Zelfs met krachtige telescopen zijn nabije exoplaneten vrijwel onmogelijk om in detail te bestuderen. Het probleem is dat ze te klein zijn en te overstemd door het licht van hun sterren voor wetenschappers om de zwakke lichtsignaturen te onderscheiden die ze reflecteren - handtekeningen die de chemie van het leven aan de oppervlakte zouden kunnen onthullen.

Met andere woorden, het detecteren van de ingrediënten van de atmosferen rond deze fantoomplaneten, zoals veel wetenschappers graag aangeven, is alsof je in Washington staat, gelijkstroom, en proberen een glimp op te vangen van een vuurvlieg naast een zoeklicht in Los Angeles. Deze realiteit maakt klimaatmodellen cruciaal voor exploratie, zei hoofd exoplanetaire wetenschapper Karl Stapelfeldt, die is gebaseerd op NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië.

"De modellen maken specifieke, testbare voorspellingen van wat we zouden moeten zien, " zei hij. "Deze zijn erg belangrijk voor het ontwerpen van onze toekomstige telescopen en observatiestrategieën."

Is het zonnestelsel een goed rolmodel?

Bij het scannen van de kosmos met grote grond- en ruimtetelescopen, astronomen hebben een eclectische verzameling werelden ontdekt die uit de verbeelding lijken te komen.

"Voor een lange tijd, wetenschappers waren echt gefocust op het vinden van zon- en aarde-achtige systemen. Dat is alles wat we wisten, " zei Elisa Quintana, een NASA Goddard-astrofysicus die in 2014 leiding gaf aan de ontdekking van de planeet Kepler-186f ter grootte van de aarde. "Maar we ontdekten dat er een hele gekke diversiteit aan planeten is. We vonden planeten zo klein als de maan. We vonden reuzenplaneten. En we vonden er een paar die om kleine sterren draaien, gigantische sterren en meerdere sterren."

Inderdaad, de meeste planeten die zijn gedetecteerd door NASA's Kepler-ruimtetelescoop en de nieuwe Transiting Exoplanet Survey Satellite, evenals waarnemingen op de grond, bestaan ​​niet in ons zonnestelsel. Ze vallen tussen de grootte van een aardse aarde en een gasvormige Uranus, die vier keer groter is dan deze planeet.

Planeten die qua grootte het dichtst bij de aarde staan, en hoogstwaarschijnlijk in theorie bewoonbare omstandigheden hebben, zijn tot nu toe alleen gevonden rond "rode dwerg" sterren, die een overgrote meerderheid van de sterren in de melkweg vormen. Maar dat komt waarschijnlijk omdat rode dwergen kleiner en zwakker zijn dan de zon, dus het signaal van planeten die eromheen draaien is gemakkelijker te detecteren door telescopen.

Omdat rode dwergen klein zijn, planeten moeten ongemakkelijk dichtbij komen - dichter dan Mercurius bij de zon is - om er door de zwaartekracht aan vast te blijven zitten. En omdat rode dwergen cool zijn, vergeleken met alle andere sterren, planeten moeten dichter bij hen staan ​​om voldoende warmte te kunnen opnemen om vloeibaar water op hun oppervlak te laten stromen.

Een van de meest aanlokkelijke recente ontdekkingen in rode dwergsystemen zijn planeten als Proxima Centauri b, of gewoon Proxima b. Het is de dichtstbijzijnde exoplaneet. Er zijn ook zeven rotsachtige planeten in het nabijgelegen systeem TRAPPIST-1. Of deze planeten leven in stand kunnen houden, is nog steeds een punt van discussie. Wetenschappers wijzen erop dat rode dwergen tot 500 keer meer schadelijke ultraviolette en röntgenstraling op hun planeten kunnen spuwen dan de zon in het zonnestelsel werpt. Op het oog, deze omgeving zou de atmosfeer ontdoen, verdamp oceanen en bak DNA op elke planeet in de buurt van een rode dwerg.

Nog, misschien niet. Klimaatmodellen op aarde laten zien dat rotsachtige exoplaneten rond rode dwergen ondanks de straling bewoonbaar kunnen zijn.

De magie zit in de wolken

Anthony Del Genio is een onlangs gepensioneerde planetaire klimaatwetenschapper van het Goddard Institute for Space Studies van NASA in New York City. Tijdens zijn carrière simuleerde hij de klimaten van de aarde en van andere planeten, inclusief Proxima b.

Het team van Del Genio heeft onlangs mogelijke klimaten op Proxima b gesimuleerd om te testen hoeveel het warm en nat genoeg zouden achterlaten om leven te huisvesten. Dit soort modelleringswerk helpt NASA-wetenschappers bij het identificeren van een handvol veelbelovende planeten die meer rigoureus onderzoek waard zijn met de aanstaande James Webb-ruimtetelescoop van NASA.

"Terwijl ons werk waarnemers niet kan vertellen of een planeet bewoonbaar is of niet, we kunnen ze vertellen of een planeet in het midden van goede kandidaten zit om verder te zoeken, ' zei Del Genio.

Proxima b draait om Proxima Centauri in een driesterrenstelsel dat zich op slechts 4,2 lichtjaar van de zon bevindt. Daarnaast, wetenschappers weten er niet veel van. Ze geloven dat het rotsachtig is, op basis van de geschatte massa, die iets groter is dan die van de aarde. Wetenschappers kunnen massa afleiden door te kijken hoeveel Proxima b aan zijn ster trekt terwijl deze eromheen draait.

Het probleem met Proxima b is dat hij 20 keer dichter bij zijn ster staat dan de aarde bij de zon. Daarom, de planeet heeft slechts 11,2 dagen nodig om één baan te maken (de aarde heeft 365 dagen nodig om eenmaal om de zon te draaien). De natuurkunde vertelt wetenschappers dat dit knusse arrangement Proxima b door de zwaartekracht op zijn ster zou kunnen laten vergrendelen, alsof de maan door de zwaartekracht op de aarde is vergrendeld. Als het waar is, de ene kant van Proxima b kijkt uit op de intense straling van de ster, terwijl de andere kant bevriest in de duisternis van de ruimte in een planetair recept dat aan geen van beide kanten veel goeds belooft.

Maar Del Genio's simulaties laten zien dat Proxima b, of een planeet met vergelijkbare kenmerken, bewoonbaar zou kunnen zijn ondanks de krachten die ertegen samenspannen. "En de wolken en oceanen spelen daarin een fundamentele rol, ' zei Del Genio.

Het team van Del Genio heeft een klimaatmodel op aarde geüpgraded dat voor het eerst in de jaren zeventig was ontwikkeld om een ​​planetaire simulator te creëren, genaamd ROCKE-3-D. Of Proxima b een atmosfeer heeft, is een open en kritische vraag die hopelijk door toekomstige telescopen zal worden opgelost. Maar het team van Del Genio ging ervan uit van wel.

Bij elke simulatie varieerde het team van Del Genio de soorten en hoeveelheden broeikasgassen in de lucht van Proxima b. Ze veranderden ook de diepte, maat, en het zoutgehalte van de oceanen en de verhouding tussen land en water aangepast om te zien hoe deze aanpassingen het klimaat van de planeet zouden beïnvloeden.

Modellen zoals ROCKE-3-D beginnen met slechts korrels basisinformatie over een exoplaneet:de grootte, massa, en afstand van zijn ster. Wetenschappers kunnen deze dingen afleiden door te kijken naar het licht van een ster die ondergaat terwijl een planeet ervoor kruist, of door de zwaartekracht te meten die aan een ster wordt getrokken terwijl een planeet eromheen draait.

Deze schaarse fysieke details vormen de basis voor vergelijkingen die tot een miljoen regels computercode bevatten die nodig zijn om de meest geavanceerde klimaatmodellen te bouwen. De code instrueert een computer zoals de Discover-supercomputer van NASA om vastgestelde natuurregels te gebruiken om mondiale klimaatsystemen te simuleren. Naast vele andere factoren, klimaatmodellen bekijken hoe wolken en oceanen circuleren en interageren en hoe straling van een zon interageert met de atmosfeer en het oppervlak van een planeet.

Toen het team van Del Genio ROCKE-3-D op Discover uitvoerde, zagen ze dat de hypothetische wolken van Proxima b zich gedragen als een enorme parasol door straling af te buigen. Dit zou de temperatuur aan de zongerichte kant van de Proxima b kunnen verlagen van te warm naar warm.

Andere wetenschappers hebben ontdekt dat Proxima b wolken kan vormen die zo massief zijn dat ze de hele lucht zouden uitwissen als men vanaf het oppervlak omhoog zou kijken.

"Als een planeet door de zwaartekracht wordt vergrendeld en langzaam om zijn as draait, vormt zich een cirkel van wolken voor de ster, wijst er altijd naar. Dit komt door een kracht die bekend staat als het Coriolis-effect, die convectie veroorzaakt op de plaats waar de ster de atmosfeer verwarmt, " zei Ravi Kopparapu, een planetaire wetenschapper van NASA Goddard die ook de potentiële klimaten van exoplaneten modelleert. "Onze modellering laat zien dat Proxima b er zo uit zou kunnen zien."

Naast het feit dat de dagzijde van Proxima b gematigder is dan verwacht, een combinatie van atmosfeer en oceaancirculatie zou warme lucht en water rond de planeet verplaatsen, waardoor warmte naar de koude kant wordt getransporteerd. "Zo voorkom je niet alleen dat de atmosfeer aan de nachtzijde bevriest, je maakt aan de nachtzijde onderdelen die feitelijk vloeibaar water aan het oppervlak houden, ook al zien die delen geen licht, ' zei Del Genio.

Een nieuwe kijk op een oud rolmodel

Atmosferen zijn omhulsels van moleculen rond planeten. Naast het helpen behouden en circuleren van warmte, atmosferen verspreiden gassen die het leven voeden of erdoor worden geproduceerd.

Deze gassen zijn de zogenaamde "biosignaturen" waarnaar wetenschappers zullen zoeken in de atmosferen van exoplaneten. Maar waar ze precies naar moeten zoeken, is nog niet beslist.

Dat van de aarde is het enige bewijs dat wetenschappers hebben van de chemie van een levensondersteunende atmosfeer. Nog, ze moeten voorzichtig zijn bij het gebruik van de chemie van de aarde als model voor de rest van de melkweg. Simulaties van Goddard planetaire wetenschapper Giada Arney, bijvoorbeeld, laten zien dat zelfs iets eenvoudigs als zuurstof - het typische teken van plantenleven en fotosynthese op de moderne aarde - een val kan vormen.

Arney's werk belicht iets interessants. Als buitenaardse beschavingen miljarden jaren geleden hun telescopen op de aarde hadden gericht in de hoop een blauwe planeet te vinden die in zuurstof zwom, ze zouden teleurgesteld zijn geweest; misschien hadden ze hun telescopen op een andere wereld gericht. Maar in plaats van zuurstof, methaan had 3,8 tot 2,5 miljard jaar geleden de beste biosignatuur kunnen zijn om naar te zoeken. Dit molecuul werd destijds in overvloed geproduceerd, waarschijnlijk door de micro-organismen die rustig in de oceanen gedijen.

"Wat interessant is aan deze fase van de geschiedenis van de aarde, is dat het zo vreemd was in vergelijking met de moderne aarde, ' zei Arney. 'Er was nog geen zuurstof, dus het was niet eens een lichtblauwe stip. Het was een lichtoranje stip, " ze zei, verwijzend naar de oranje waas geproduceerd door de methaansmog die de vroege aarde mogelijk heeft gehuld.

Bevindingen zoals deze, Arney zei, "hebben ons denken verbreed over wat mogelijk is onder exoplaneten, " helpen bij het uitbreiden van de lijst met biosignaturen waarnaar planetaire wetenschappers zullen zoeken in verre atmosferen.

Een blauwdruk bouwen voor sfeerjagers

Hoewel de lessen van planetaire klimaatmodellen theoretisch zijn - wat betekent dat wetenschappers niet de kans hebben gehad om ze in de echte wereld te testen - bieden ze een blauwdruk voor toekomstige waarnemingen.

Een belangrijk doel van het simuleren van klimaten is het identificeren van de meest veelbelovende planeten om naartoe te gaan met de Webb-telescoop en andere missies, zodat wetenschappers de beperkte en dure telescooptijd het meest efficiënt kunnen gebruiken. Aanvullend, deze simulaties helpen wetenschappers een catalogus te maken van potentiële chemische handtekeningen die ze ooit zullen detecteren. Als ze zo'n database hebben om uit te putten, kunnen ze snel bepalen naar welk type planeet ze kijken en beslissen of ze door willen gaan met sonderen of hun telescopen ergens anders heen willen zetten.

Het ontdekken van leven op verre planeten is een gok, Del Genio merkte op:"Dus als we zo verstandig willen observeren, we moeten aanbevelingen overnemen van klimaatmodellen, want dat vergroot alleen maar de kansen."