Exoplaneten ondergaan een stratosferische stijging. In de drie decennia sinds de eerste bevestigde planeet rond een andere ster draait, hebben wetenschappers er meer dan 4.000 gecatalogiseerd. Naarmate de lijst groeit, groeit ook de wens om aardachtige exoplaneten te vinden - en om te bepalen of ze levensondersteunende oases kunnen zijn, zoals onze eigen aardbol.

De komende decennia zouden nieuwe missies moeten worden gelanceerd die steeds grotere hoeveelheden gegevens over exoplaneten kunnen verzamelen. Vooruitlopend op deze toekomstige inspanningen heeft een team van de Universiteit van Washington en de Universiteit van Bern meer dan 200.000 hypothetische aardachtige werelden gesimuleerd - planeten die dezelfde grootte, massa, atmosferische samenstelling en geografie hebben als de moderne aarde - allemaal in een baan van sterren zoals onze zon. Hun doel was om te modelleren welke soorten omgevingen astronomen kunnen verwachten te vinden op echte aardachtige exoplaneten.

Zoals ze rapporteren in een paper dat is geaccepteerd voor het Planetary Science Journal en op 6 december ingediend bij de preprint-site arXiv, ontbrak op deze gesimuleerde exoplaneten vaak een gemeenschappelijk kenmerk van de huidige aarde:gedeeltelijke ijsbedekking.

"We hebben in wezen het klimaat van de aarde gesimuleerd op werelden rond verschillende soorten sterren, en we ontdekken dat in 90% van de gevallen met vloeibaar water aan het oppervlak er geen ijskappen zijn, zoals poolkappen", zegt co-auteur Rory Barnes, een UW hoogleraar astronomie en wetenschapper bij het Virtual Planetary Laboratory van de UW. "Als er ijs aanwezig is, zien we dat ijsgordels - permanent ijs langs de evenaar - eigenlijk waarschijnlijker zijn dan ijskappen."

De bevindingen werpen licht op het complexe samenspel tussen vloeibaar water en ijs op aardachtige werelden, volgens hoofdauteur Caitlyn Wilhelm, die de studie leidde als een niet-gegradueerde student aan het UW Department of Astronomy.

"Kijkend naar ijsbedekking op een aardachtige planeet kan je veel vertellen over de vraag of het bewoonbaar is", zei Wilhelm, die nu een onderzoekswetenschapper is bij het Virtual Planetary Laboratory. "We wilden alle parameters begrijpen - de vorm van de baan, de axiale helling, het type ster - die bepalen of je ijs op het oppervlak hebt, en zo ja, waar."

Het team gebruikte een 1-D energiebalansmodel, dat de energiestroom tussen de evenaar en de polen van een planeet op een rekenkundige manier imiteert, om de klimaten op duizenden hypothetische exoplaneten in verschillende orbitale configuraties rond F-, G- of K-type sterren te simuleren. Deze klassen van sterren, waaronder onze eigen G-type zon, zijn veelbelovende kandidaten voor het huisvesten van levensvriendelijke werelden in hun bewoonbare zones, ook bekend als de "Goudlokje"-zone. F-type sterren zijn een beetje heter en groter dan onze zon; K-type sterren zijn iets koeler en kleiner.

In hun simulaties varieerden de banen van de exoplaneten van cirkelvormig tot een uitgesproken ovaal. Het team overwoog ook axiale kantelingen variërend van 0 tot 90 graden. De axiale helling van de aarde is een matige 23,5 graden. Een planeet met een kanteling van 90 graden zou "op zijn kant zitten" en extreme seizoensvariaties in het klimaat ervaren, net zoals de planeet Uranus.

Volgens de simulaties, die een tijdspanne van 1 miljoen jaar op elke wereld omvatten, vertoonden aardachtige werelden klimaten variërend van planeetbrede "sneeuwbal" -klimaten - met ijs aanwezig op alle breedtegraden - tot een stomende "vochtige kas", die is waarschijnlijk vergelijkbaar met het klimaat van Venus voordat een op hol geslagen broeikaseffect het oppervlak heet genoeg maakte om lood te smelten. Maar hoewel de meeste omgevingen in de simulaties ergens tussen die uitersten vielen, was er slechts op ongeveer 10% van de hypothetische, bewoonbare exoplaneten gedeeltelijk ijs op het oppervlak aanwezig.

Het model omvatte natuurlijke variaties in de tijd in de axiale kanteling en baan van elke wereld, wat gedeeltelijk het algemene gebrek aan ijs op bewoonbare exoplaneten verklaart, volgens co-auteur Russell Deitrick, een postdoctoraal wetenschapper aan de Universiteit van Bern en onderzoeker bij de Virtual Planetary Laboratorium.

"Baanbanen en axiale hellingen veranderen altijd", zegt Deitrick. "Op aarde worden deze variaties Milankovitch-cycli genoemd en zijn ze erg klein in amplitude. Maar voor exoplaneten kunnen deze veranderingen behoorlijk groot zijn, wat ijs helemaal kan elimineren of 'sneeuwbal'-toestanden kan veroorzaken."

Wanneer er gedeeltelijk ijs aanwezig was, varieerde de verdeling per ster. Rond F-type sterren werden polaire ijskappen - zoals wat de aarde momenteel beoefent - ongeveer drie keer vaker gevonden dan ijsgordels, terwijl ijsgordels twee keer zo vaak voorkwamen als kappen voor planeten rond G- en K-type sterren. IJsgordels kwamen ook vaker voor op werelden met extreme axiale hellingen, waarschijnlijk omdat seizoensextremen de poolklimaten volatieler houden dan equatoriale gebieden, volgens Wilhelm.

De bevindingen van het team over ijs op deze gesimuleerde aardachtige werelden zouden moeten helpen bij het zoeken naar potentieel bewoonbare werelden door astronomen te laten zien wat ze kunnen verwachten, vooral met betrekking tot ijsverdeling en de soorten klimaten.

"Oppervlakte-ijs is zeer reflecterend en kan bepalen hoe een exoplaneet door onze instrumenten heen 'kijkt'," zei Wilhelm. "Of er wel of geen ijs aanwezig is, kan ook bepalen hoe een klimaat op de lange termijn zal veranderen, of het nu tot het uiterste gaat - zoals een 'sneeuwbal-aarde' of een op hol geslagen kas - of iets meer gematigd."

Ice alone, or its absence, does not determine habitability, though.

"Habitability encompasses a lot of moving parts, not just the presence or absence of ice," said Wilhelm.

Life on Earth has survived snowball periods, as well as hundreds of millions of ice-free years, according to Barnes.

"Our own planet has seen some of these extremes in its own history," said Barnes. "We hope this study lays the groundwork for upcoming missions to look for habitable signatures in exoplanet atmospheres—and to even image exoplanets directly—by showing what's possible, what's common and what's rare."