Recente verkenningen van exoplaneten hebben zich gericht op de ontdekking van gematigde rotsachtige planeten zoals de aarde, die vaak bewoonbare planeten worden genoemd. De meeste recente missies zijn gericht op sterren die koeler zijn dan de zon. Dergelijke sterren staan ​​bekend als rode dwergen of M-type sterren, die talrijk zijn in de zonneomgeving.

Matige zonnestraling en voldoende zeewater zijn nodig om een ​​planeet een gematigd klimaat te laten behouden. Eerdere planeetvormingsmodellen voorspellen echter dat het voorkomen van planeten die aan dergelijke voorwaarden voldoen rond M-type sterren klein is. Nieuwe simulaties uitgevoerd door Tadahiro Kimura, een doctoraatsstudent van de Universiteit van Tokyo en Prof. Masahiro Ikoma van de Afdeling Wetenschap, NAOJ, hebben zich gericht op de vorming van een waterstofrijke atmosfeer uit de protoplanetaire schijf en op waterproductie via de reactie tussen de atmosfeer en de magma-oceaan.

Ze hebben een nieuw planeetvormingsmodel ontwikkeld en daarmee voorspeld hoeveel zeewater exoplaneten in een baan om M-type sterren zouden hebben. Als gevolg hiervan blijkt uit hun schatting dat enkele procenten van de planeten met aardachtige stralen en zonnestraling die rond M-type sterren draaien, matige hoeveelheden zeewater hebben. Dit suggereert dat de ontdekking van planeten met gematigde klimaten in het volgende decennium waarschijnlijk is. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Nature Astronomy op 29 september.

Sinds de eerste detectie in 1995 zijn er meer dan 5.000 planeten ontdekt die om andere sterren dan de zon draaien (exoplaneten). De detectie van zo'n groot aantal exoplaneten heeft aangetoond dat planetaire systemen algemeen voorkomen in het universum. Aan de andere kant is ook duidelijk geworden dat exoplaneten divers zijn in grootte, samenstelling, afstand tot de centrale ster en instraling.

Onder de planeten die tot nu toe zijn gedetecteerd, zijn er veel planeten ter grootte van de aarde. Of een van hen een gematigd klimaat heeft zoals de aarde, is een kwestie van groot belang. Water is noodzakelijk voor het leven op aarde, maar water speelt ook een belangrijke rol in het klimaat. Het is bekend dat het handhaven van gematigde klimaten een matige hoeveelheid stellaire straling vereist, evenals een oceaan met een matige hoeveelheid water.

De huidige aarde is in staat een warm klimaat te handhaven door het functioneren van de koolstofcyclus met platentektoniek en continentale verwering; als de hoeveelheid oceanisch water enkele tientallen keren groter zou zijn dan op aarde, zou de koolstofcyclus worden beperkt, wat resulteert in een extreem warm of koud klimaat.

Een wijdverbreid idee is dat de huidige oceanen van de aarde werden geleverd door watervoerende rotsachtige of ijzige lichamen. Eerdere studies die dit idee toepasten op exoplaneten rond M-type sterren leidden tot de voorspelling dat planeten met een matig watergehalte zeldzaam zijn, wat suggereert dat hoewel M-type sterren het belangrijkste doelwit zijn van toekomstige zoektochten naar bewoonbare planeten, het hoogst onwaarschijnlijk is dat bewoonbare planeten worden gevonden .

Aan de andere kant werd de productie van water in een accumulerende atmosfeer voorgesteld als een alternatief waterverwervingsproces in eerder onderzoek door Prof. Ikoma en zijn collega. Over het algemeen, als een planeet groeit in een protoplanetaire schijf, verwerft het door de zwaartekracht gas van de schijf en vormt het een atmosfeer die voornamelijk uit waterstof bestaat.

Bovendien wordt aangenomen dat het rotsachtige oppervlak van de groeiende planeet gesmolten is vanwege de hitte van hemelse inslagen (zie figuur 1); namelijk, de planeet is bedekt met een magma-oceaan. Op dit moment leidt een chemische reactie tussen atmosferische waterstof en oxiden in de magma-oceaan tot de productie van water. Rekening houdend met de effecten van zo'n waterproducerende reactie, is het mogelijk om een ​​planeet te vormen die rijker is aan water dan in conventionele theoretische modellen.

De hoeveelheid waterhoudend gesteente dat door een planeet wordt verkregen en de hoeveelheid water die wordt verkregen uit waterproducerende reacties zijn sterk afhankelijk van het proces van planeetvorming. In deze studie hebben Tadahiro Kimura en Masahiro Ikoma een nieuw model voor de synthese van planetaire populaties ontwikkeld om de frequentie van aquaplaneten in extrasolaire systemen rond M-type sterren opnieuw te schatten.

Het model volgt de massagroei en orbitale evolutie van planeten op basis van de nieuwste planeetvormingstheorieën, en kan de hoeveelheid water berekenen die daarbij wordt verkregen. Naast de eerder overwogen verwerving van waterhoudend gesteente, neemt het model ook nieuw het effect van waterproductie in de oeratmosfeer op.

Numerieke simulaties met dit model laten zien dat op verschillende locaties een grote verscheidenheid aan planeten van verschillende groottes en atmosferische massa's wordt geproduceerd (zie figuur 2). Het berekende watergehalte voor planeten in de bewoonbare zone is weergegeven in Fig. 3.

Zoals in de figuur te zien is, kunnen exoplaneten die rond M-type sterren draaien, zeer uiteenlopende hoeveelheden water vasthouden wanneer de waterproductie in de oeratmosfeer werkt. Sommige van deze planeten zijn gevormd met vergelijkbare hoeveelheden zeewater als die van de aarde. Het meeste zeewater op deze planeten wordt door de atmosferische waterproductie aangevoerd. Analyse van de computergegevens heeft geleid tot de voorspelling dat enkele procenten van de planeten met een planetaire straal tussen 0,7 en 1,3 keer die van de aarde voldoende hoeveelheden water vasthouden om gematigde klimaten in stand te houden (ongeveer 0,1-100 keer het zeewatergehalte van de aarde).

Verwacht wordt dat bijna 100 planeten ter grootte van de aarde zullen worden gedetecteerd in de bewoonbare zone rond M-type sterren in lopende en toekomstige verkenningsprogramma's voor exoplaneten, zoals TESS en PLATO. De resultaten van deze studie voorspellen dat verschillende van deze planeten aquaplaneten zullen zijn met een aardachtig warm klimaat.

Waarnemingen van de atmosferische spectra van exoplaneten door de infrarood-ruimtetelescopen JWST en Ariel zullen ook de aanwezigheid van watermoleculen en andere elementen in de atmosfeer onthullen. Deze waarnemingen zullen naar verwachting de theoretische voorspellingen van dit onderzoek valideren en leiden tot een beter begrip van het vormingsproces van aquaplaneten zoals de aarde. + Verder verkennen

Opinie:Wetenschappers hebben mogelijk een aardachtige planeet ontdekt. Laat een van hen je erover vertellen.