De hoeveelheid langlevende radioactieve elementen die in een rotsachtige planeet zijn verwerkt, zoals deze zich vormt, kan een cruciale factor zijn bij het bepalen van de toekomstige bewoonbaarheid, volgens een nieuwe studie door een interdisciplinair team van wetenschappers van UC Santa Cruz.

Dat komt omdat interne verwarming door het radioactieve verval van de zware elementen thorium en uranium de platentektoniek aandrijft en mogelijk nodig is voor de planeet om een ​​magnetisch veld te genereren. Het magnetische veld van de aarde beschermt de planeet tegen zonnewinden en kosmische straling.

Convectie in de gesmolten metalen kern van de aarde creëert een interne dynamo (de "geodynamo") die het magnetische veld van de planeet genereert. De toevoer van radioactieve elementen op aarde zorgt voor meer dan genoeg interne verwarming om een ​​aanhoudende geodynamo te genereren, volgens Francis Nimmo, hoogleraar Aard- en planetaire wetenschappen aan UC Santa Cruz en eerste auteur van een paper over de nieuwe bevindingen, gepubliceerd op 10 november in Astrofysische journaalbrieven .

"Wat we ons realiseerden was dat verschillende planeten verschillende hoeveelheden van deze radioactieve elementen accumuleren die uiteindelijk de geologische activiteit en het magnetische veld aandrijven, Nimmo legde uit. "Dus we namen een model van de aarde en draaiden de hoeveelheid interne radiogene warmteproductie op en neer om te zien wat er gebeurt."

Wat ze ontdekten is dat als de radiogene verwarming groter is dan die van de aarde, de planeet kan niet permanent een dynamo ondersteunen, zoals de aarde heeft gedaan. Dat komt doordat het grootste deel van het thorium en uranium in de mantel terechtkomt, en te veel warmte in de mantel werkt als een isolator, voorkomen dat de gesmolten kern snel genoeg warmte verliest om de convectieve bewegingen te genereren die het magnetische veld produceren.

Met meer radiogene interne verwarming, de planeet heeft ook veel meer vulkanische activiteit, die frequente massale uitstervingsgebeurtenissen zouden kunnen veroorzaken. Anderzijds, te weinig radioactieve warmte resulteert in geen vulkanisme en een geologisch "dode" planeet.

"Gewoon door deze ene variabele te veranderen, je veegt door deze verschillende scenario's, van geologisch dood tot aardeachtig tot extreem vulkanisch zonder dynamo, "Nimmo zei, eraan toevoegend dat deze bevindingen meer gedetailleerde studies rechtvaardigen.

"Nu we de belangrijke implicaties zien van het variëren van de hoeveelheid radiogene verwarming, het vereenvoudigde model dat we gebruikten, moet worden gecontroleerd door meer gedetailleerde berekeningen, " hij zei.

Bewoonbaarheid

Een planetaire dynamo is op verschillende manieren verbonden met bewoonbaarheid, volgens Natalie Batalha, een professor in astronomie en astrofysica wiens Astrobiology Initiative bij UC Santa Cruz leidde tot de interdisciplinaire samenwerking die tot dit artikel leidde.

"Er is lang gespeculeerd dat interne verwarming platentektoniek aandrijft, die koolstofcycli en geologische activiteit zoals vulkanisme creëert, wat zorgt voor een sfeer, " legde Batalha uit. "En het vermogen om een ​​atmosfeer vast te houden is gerelateerd aan het magnetisch veld, die ook wordt aangedreven door interne verwarming."

Co-auteur Joel Primack, emeritus hoogleraar natuurkunde, legde uit dat sterrenwinden, die snel bewegende materiaalstromen zijn die door sterren worden uitgestoten, kan de atmosfeer van een planeet gestaag eroderen als deze geen magnetisch veld heeft.

"Het ontbreken van een magnetisch veld is blijkbaar een deel van de reden, samen met zijn lagere zwaartekracht, waarom Mars een zeer dunne atmosfeer heeft, "zei hij. "Vroeger had het een dikkere atmosfeer, en een tijdje had het oppervlaktewater. Zonder de bescherming van een magnetisch veld, er komt veel meer straling door en het oppervlak van de planeet wordt ook minder bewoonbaar."

Primack merkte op dat de zware elementen die cruciaal zijn voor radiogene verwarming worden gecreëerd tijdens fusies van neutronensterren, wat uiterst zeldzame gebeurtenissen zijn. De creatie van deze zogenaamde r-proceselementen tijdens fusies van neutronensterren was een focus van onderzoek door coauteur Enrico Ramirez-Ruiz, hoogleraar sterrenkunde en astrofysica.

"We zouden een aanzienlijke variabiliteit verwachten in de hoeveelheden van deze elementen die zijn opgenomen in sterren en planeten, omdat het afhangt van hoe dicht de materie die ze heeft gevormd was bij waar deze zeldzame gebeurtenissen in de melkweg plaatsvonden, ' zei Primack.

Astronomen kunnen spectroscopie gebruiken om de overvloed aan verschillende elementen in sterren te meten, en de samenstelling van planeten zal naar verwachting vergelijkbaar zijn met die van de sterren waar ze omheen draaien. Het zeldzame aarde-element europium, die gemakkelijk wordt waargenomen in stellaire spectra, wordt gemaakt door hetzelfde proces dat de twee langstlevende radioactieve elementen maakt, thorium en uranium, dus europium kan worden gebruikt als een tracer om de variabiliteit van die elementen in de sterren en planeten van onze melkweg te bestuderen.

Natuurlijk verspreidingsgebied

Astronomen hebben europiummetingen gedaan voor veel sterren in onze galactische omgeving. Nimmo was in staat die metingen te gebruiken om een ​​natuurlijke reeks inputs vast te stellen voor zijn modellen van radiogene verwarming. De samenstelling van de zon bevindt zich in het midden van dat bereik. Volgens Primack, veel sterren hebben half zoveel europium vergeleken met magnesium als de zon, en veel sterren hebben tot twee keer meer dan de zon.

Het belang en de variabiliteit van radiogene verwarming roept veel nieuwe vragen op voor astrobiologen, zei Batalha.

"Het is een ingewikkeld verhaal, omdat beide uitersten gevolgen hebben voor de bewoonbaarheid. Je hebt voldoende radiogene verwarming nodig om platentektoniek in stand te houden, maar niet zozeer dat je de magnetische dynamo uitschakelt, "zei ze. "Uiteindelijk, we zijn op zoek naar de meest waarschijnlijke verblijfplaatsen van het leven. De overvloed aan uranium en thorium lijken sleutelfactoren te zijn, mogelijk zelfs een andere dimensie voor het definiëren van een Goudlokje-planeet."

Europium-metingen van hun sterren gebruiken om planetaire systemen met verschillende hoeveelheden radiogene elementen te identificeren, astronomen kunnen gaan zoeken naar verschillen tussen de planeten in die stelsels, Nimmo zei, vooral als de James Webb Space Telescope eenmaal is ingezet. "De James Webb Space Telescope zal een krachtig hulpmiddel zijn voor de karakterisering van exoplaneetatmosferen, " hij zei.

Naast Nimmo, Primak, en Ramirez-Ruiz, de co-auteurs van het artikel zijn Sandra Faber, emeritus hoogleraar astronomie en astrofysica, en postdoctoraal geleerde Mohammadtaher Safarzadeh.