Planeten buiten het zonnestelsel worden in hoog tempo ontdekt - 4, 531 planeten in 3, 363 systemen (met nog eens 7, 798 kandidaten wachten op bevestiging). Van deze, 166 zijn geïdentificeerd als rotsachtige planeten (ook bekend als "aardachtige"), terwijl een andere 1, 389 zijn gecategoriseerd als rotsachtige planeten die meerdere keren zo groot zijn als de aarde ("Super-Earths"). Naarmate er meer en meer ontdekkingen worden gedaan, de focus van astronomen verschuift van het ontdekkingsproces naar karakterisering.

Om te kwantificeren of een van deze exoplaneten bewoonbaar is, astronomen en astrobiologen zoeken naar manieren om biomarkers en andere tekenen van biologische processen te detecteren. Volgens een nieuwe studie, indicaties van een koolstof-silicaatcyclus zouden de sleutel kunnen zijn. Op aarde, deze cyclus zorgt ervoor dat ons klimaat eeuwenlang stabiel blijft, en het zou de sleutel kunnen zijn tot het vinden van leven op andere planeten.

De studie, getiteld "Carbon cycling en bewoonbaarheid van massieve aardachtige exoplaneten, " werd gedirigeerd door Amanda Kruijver, Dennis Höning, en Wim van Westrenen - drie aardwetenschappers van de Vrije Universiteit Amsterdam. Höning is ook fellow bij het Origins Center, een in Nederland gevestigd nationaal wetenschappelijk instituut dat zich inzet voor onderzoek naar de oorsprong en evolutie van het leven in ons heelal. Hun studie is onlangs gepubliceerd in Het planetaire wetenschappelijke tijdschrift .

Op aarde, deze tweestapscyclus zorgt ervoor dat kooldioxide (CO ₂ ) niveaus in onze atmosfeer blijven relatief constant in de tijd. In de eerste stap, koolstofdioxide wordt uit onze atmosfeer verwijderd door te reageren met waterdamp om koolzuur te vormen, die silicaatgesteente doorstaat en oplost. De producten van deze verwering worden in de oceanen gespoeld, het creëren van carbonaatgesteente dat naar de zeebodem zinkt en deel gaat uitmaken van de aardmantel.

Hier komt de tweede stap om de hoek kijken. Eenmaal in de mantel, carbonaatgesteenten worden omgesmolten tot silicaatmagma en CO ₂ gas, waarvan de laatste door vulkaanuitbarstingen weer in de atmosfeer wordt vrijgegeven. Zoals Dr. Höning via e-mail aan Universe Today uitlegde, het proces wordt ook beïnvloed door veranderingen in oppervlaktecondities:

"Belangrijk, de snelheid van dit proces hangt af van de oppervlaktetemperatuur:als het oppervlak warmer wordt, verweringsreacties versnellen, en meer CO ₂ uit de atmosfeer kan worden verwijderd. sinds CO ₂ is een broeikasgas, dit mechanisme koelt het oppervlak af, dus we hebben een stabiliserende feedback. We moeten erop wijzen dat deze stabiliserende feedback een lange tijd nodig heeft om efficiënt te zijn, in de orde van honderdduizenden jaren of zelfs miljoenen jaren."

Een belangrijke overweging is hoe de zon in de loop van de tijd heter is geworden, Dr. Höning voegde toe. Vergeleken met de vroege geschiedenis van de aarde, onze planeet ontvangt nu ongeveer 30% meer energie van de zon, daarom atmosferische CO ₂ niveaus waren hoger in het verre verleden. Daarom, het is veilig om te zeggen dat verwering meer uitgesproken wordt naarmate een planeet ouder wordt en dat atmosferische CO ₂ niveaus zullen op dit punt in hun evolutie in toenemende mate dalen.

Aangezien dit een eenvoudig chemisch proces is, er is geen reden om aan te nemen dat een koolstof-silicaatcyclus niet zou kunnen functioneren op andere planeten - op voorwaarde dat ze vloeibaar water op hun oppervlak hebben. Voor exoplaneetonderzoekers en astrobiologen, de aanwezigheid van vloeibaar water is van cruciaal belang geweest voor de voortdurende zoektocht naar buitenaards leven. De kwestie van platentektoniek is ook aan de orde gesteld, omdat dit een belangrijke rol speelt bij het in stand houden van de bewoonbaarheid van de aarde in de loop van de tijd. Zei Dr. Höning:

"In ons eigen zonnestelsel, alleen planeet Aarde heeft platentektoniek en dus subductie. De reden hiervoor is niet helemaal duidelijk en onderhevig aan moderne studies - waarschijnlijk heeft het te maken met de rotssamenstelling, planeet grootte, oppervlaktetemperatuur, of met het bestaan ​​van vloeibaar water op het oppervlak zelf.

"Als we verwering zouden hebben op een exoplaneet, maar geen subductie, de geproduceerde carbonaten zouden zich ophopen op het oppervlak en kunnen na miljoenen jaren weer onstabiel worden. We hebben dit scenario in eerder werk onderzocht en ontdekten dat het klimaat tot op zekere hoogte nog zou worden gereguleerd, hoewel iets minder efficiënt dan met platentektoniek zoals aangenomen in de huidige paper."

Dr. Höning en zijn collega's zijn niet de enigen als het erom gaat te onderzoeken of platentektoniek en geologische activiteit essentieel zijn voor het leven. In recente jaren, soortgelijk onderzoek is uitgevoerd dat heeft overwogen of stilstaande dekselplaneten (waar het oppervlak en de mantel uit één inactieve plaat bestaan) bedekt met oceanen nog steeds een koolstofcyclus kunnen hebben - met bemoedigende resultaten.

Ter wille van hun studie, Dr. Höning en zijn collega's probeerden te bepalen of een koolstof-silicaatcyclus mogelijk zou zijn op andere rotsachtige planeten die variëren van "aardachtig" tot "superaarde". Hiertoe, ze creëerden een model dat de carbonaat-silicaatcyclus van de aarde reproduceerde en rekening hield met alle relevante processen, inclusief interieurevolutie, vulkanische ontgassing, verwering, en subductie. Vervolgens bekeken ze hoe het model gevoelig zou kunnen zijn voor veranderingen in grootte en massa.

"Bijvoorbeeld, de druk binnen massieve planeten neemt sterker toe met de diepte omdat de zwaartekracht hoger is, " zei Dr. Höning. "De druk heeft een effect op de smeltdiepte en ook op de sterkte van mantelconvectie, die de koelsnelheid van het interieur bepaalt. Daarom hebben we alle modelonderdelen bijgewerkt die gevoelig zijn voor de grootte of massa van de planeet en zouden daarom de invloed van deze parameters op de bewoonbaarheid van exoplaneten kunnen onderzoeken."

Wat ze ontdekten was dat een toename van de massa (tot een punt) zou resulteren in hogere gemiddelde oppervlaktetemperaturen, waardoor het veranderen van wat zou worden beschouwd als de circumsolar bewoonbare zone van de planeet (ook bekend als de "Goldilocks Zone"). Zei Dr. Höning:

"We ontdekten dat exoplaneten van de leeftijd van de aarde, maar ~3 keer massiever, hogere vulkanische ontgassingssnelheden zouden moeten hebben, omdat hun binnenste veel heter is en mantelconvectie daardoor krachtiger. De carbonaat-silicaatcyclus kan nog steeds het klimaat op deze planeten regelen, toch verwachten we een warmer oppervlak. Daarom, de optimale afstand tussen de planeet en de ster om vloeibaar water op het planeetoppervlak te houden is iets verder weg dan de afstand van de aarde tot de zon."

Echter, de resultaten waren het tegenovergestelde toen ze de massa van een rotsachtige planeet verhoogden tot 10 keer die van de aarde (wat overeenkomt met ~ 2 aardstralen). "Hier, de druk binnen deze planeten is zo groot dat vulkanische activiteit en uitgassing van CO ₂ wordt kleiner, "zei hij. "Echter, omdat de warmte van hun interieur niet zo efficiënt wordt verloren, uitgassen van CO ₂ wordt bijzonder efficiënt in de latere evolutie. Helaas, stellaire helderheid neemt ook toe met de tijd, dus de planeet kan dan te heet worden om vloeibaar water te laten bestaan."

Er zijn veel afhaalrestaurants van deze resultaten. Voor een, de studie toont aan dat grootte en massa belangrijke parameters zijn voor de bewoonbaarheid van planeten. Tegelijkertijd, grootte en massa behoren tot de weinige parameters waartoe wetenschappers nu toegang hebben. Net als bij de beschikbare detectiemiddelen - de Transit-methode, bijvoorbeeld, is erg goed in het beperken van deze twee eigenschappen - wetenschappers worden enigszins beperkt door indirecte middelen en moeten vertrouwen op extrapolaties en modellering.

Echter, deze twee parameters zijn nog steeds erg handig om te bepalen welke soorten rotsachtige planeten bewoonbaar kunnen zijn en welke waarschijnlijk geen leven zullen ondersteunen. Bovendien, ze laten zien hoe de leeftijd en massa van een planeet een belangrijke rol spelen bij het in stand houden van een koolstofcyclus, en daarmee de bewoonbaarheid van de planeet. Door deze factoren samen te bekijken, wetenschappers zullen kunnen zeggen of een planeet 'mogelijk met meer vertrouwen bewoonbaar is'. Zoals Dr. Höning samenvatte:

"Een belangrijke bevinding van ons artikel is dat we echt naar de combinatie van planeetgrootte en leeftijd moeten kijken om een ​​idee te krijgen van de bewoonbaarheid. Planeten ter grootte van de aarde zouden voor een zeer lange periode bewoonbaar moeten zijn, maar hun atmosferen zijn natuurlijk moeilijker te karakteriseren dan voor grotere planeten. Planeten met een massa van 3 keer de massa van de aarde (die dezelfde stellaire flux ontvangen) zouden een heter oppervlak moeten hebben dan de aarde (verschil ~10K). Nog massievere planeten die dezelfde stellaire flux ontvangen, zijn een beetje koeler, maar zou later in hun evolutie aanzienlijk opwarmen."

Bovendien, deze studie zal nuttig zijn wanneer telescopen van de volgende generatie beschikbaar komen en directe observaties van exoplaneten kunnen uitvoeren. Dit is iets wat astronomen verwachten van de aankomende James Webb Space Telescope (JWST), de Nancy Grace Romeinse ruimtetelescoop, en op de grond gebaseerde observatoria zoals de Extremely Large Telescope (ELT), de gigantische Magellan-telescoop (GMT), en de Dertig Meter Telescoop (TMT).

Door direct licht te observeren dat wordt gereflecteerd door de atmosfeer van een exoplaneet, astronomen zullen spectra verkrijgen die de chemische samenstelling van de atmosfeer onthullen. Dit onderzoek kan worden gebruikt voor toekomstige studies om de detectie van atmosferische CO ₂ in de juiste context. Kortom, astrobiologen zullen bepalen of het een indicatie is van geologische activiteit en daarom kan worden geïnterpreteerd als een mogelijke indicatie van bewoonbaarheid.

Een ander bemoedigend aspect van de studie is dat zelfs als het gaat om rotsachtige planeten met verschillende massa's en afmetingen, de carbonaat-silicaatcyclus blijft een efficiënte klimaatregelaar. Als wetenschappers bewijs van deze cyclus op exoplaneten ontdekken, ze kunnen er zeker van zijn dat het potentiële bewoonbaarheid aangeeft, hoe massief de planeet ook is. "Dus, we kunnen optimistisch blijven over het vinden van buitenaards leven in de toekomst", zei Dr. Höning.