Ergens in onze melkweg, een exoplaneet draait waarschijnlijk om een ​​ster die kouder is dan onze zon, maar in plaats van vast te vriezen, de planeet kan gezellig warm zijn dankzij een broeikaseffect veroorzaakt door methaan in zijn atmosfeer.

NASA-astrobiologen van het Georgia Institute of Technology hebben een uitgebreid nieuw model ontwikkeld dat laat zien hoe planetaire chemie dat mogelijk zou kunnen maken. Het model, gepubliceerd in een nieuwe studie in het tijdschrift Natuur Geowetenschappen , was gebaseerd op een waarschijnlijk scenario op aarde drie miljard jaar geleden, en was eigenlijk gebouwd rond zijn mogelijke geologische en biologische chemie.

De zon produceerde toen een kwart minder licht en warmte, maar de aarde bleef gematigd, en methaan heeft onze planeet misschien gered van een eon-lange diepvriezing, wetenschappers veronderstellen. Had het niet, wij en de meeste andere complexe levens zouden hier vandaag waarschijnlijk niet zijn.

Het nieuwe model combineerde meerdere microbiële metabolische processen met vulkanische, oceanische en atmosferische activiteiten, waardoor het misschien wel de meest uitgebreide in zijn soort tot nu toe is. Maar tijdens het bestuderen van het verre verleden van de aarde, de Georgia Tech-onderzoekers richtten hun model lichtjaren weg, willen dat het op een dag helpt bij het interpreteren van de omstandigheden op recent ontdekte exoplaneten.

De onderzoekers hebben de parameters van het model breed vastgesteld, zodat ze niet alleen van toepassing kunnen zijn op onze eigen planeet, maar mogelijk ook op zijn broers en zussen met hun verschillende groottes, geologieën, en levensvormen.

Aarde en zijn broers en zussen

"We hadden niet voor niets een oog voor toekomstig gebruik met exoplaneten, " zei Chris Reinhard, de hoofdonderzoeker van de studie en een assistent-professor in Georgia Tech's School of Earth and Atmospheric Sciences. "Het is mogelijk dat de atmosferische methaanmodellen die we voor de vroege aarde onderzoeken, omstandigheden vertegenwoordigen die biosferen in onze melkweg gemeen hebben, omdat ze niet zo'n geavanceerd evolutiestadium vereisen zoals we nu hier op aarde hebben."

Reinhard en eerste auteur Kazumi Ozaki publiceerden hun Natuur Geowetenschappen krant op 11 december 2017. Het onderzoek werd ondersteund door het NASA Postdoctoral Program, de Japan Society for the Promotion of Science, het NASA Astrobiology Institute en de Alfred P. Sloan Foundation.

Eerdere modellen hebben de mix van atmosferische gassen onderzocht die nodig zijn om de aarde warm te houden ondanks de vroegere zwakte van de zon, of bestudeerde geïsoleerde microbiële metabolismes die het benodigde methaan hadden kunnen maken. "In isolatie, elk metabolisme heeft niet gezorgd voor productieve modellen die goed waren voor zoveel methaan, ' zei Reinhard.

De Georgia Tech-onderzoekers hebben die geïsoleerde microbiële metabolismes synergetisch gemaakt, inclusief oude fotosynthese, met geologische chemie om een ​​model te creëren dat de complexiteit van een hele levende planeet weerspiegelt. En de methaanproductie van het model schoot omhoog.

"Het is belangrijk om na te denken over de mechanismen die de atmosferische niveaus van broeikasgassen regelen in het kader van alle biogeochemische cycli in de oceaan en de atmosfeer, " zei eerste auteur Ozaki, een postdoctoraal assistent.

Carl Sagan en de zwakke zon

Het Georgia Tech-model versterkt een leidende hypothese die een mysterie probeert te verklaren dat de "vage jonge zonparadox" wordt genoemd en die in 1972 werd opgemerkt door de iconische astronoom Carl Sagan en zijn collega aan de Cornell University, George Mullen.

Astronomen hebben lang geleden opgemerkt dat sterren helderder brandden naarmate ze ouder werden en zwakker werden in hun jeugd. Ze berekenden dat ongeveer twee miljard jaar geleden, onze zon moet ongeveer 25 procent zwakker hebben geschenen dan nu.

Dat zou te koud zijn geweest om vloeibaar water op aarde te laten bestaan, maar paradoxaal genoeg, sterk bewijs zegt dat er vloeibaar water bestond. "Op basis van de waarneming van het geologische record, we weten dat er vloeibaar water moet zijn geweest, " zei Reinhard, "en in sommige gevallen we weten dat de temperaturen vergelijkbaar waren met hoe ze nu zijn, zo niet een beetje warmer."

Sagan en Mullen stelden dat de atmosfeer van de aarde een broeikaseffect moet hebben gecreëerd dat het heeft gered. Vroeger, ze vermoedden dat ammoniak aan het werk was, maar chemisch, dat idee bleek minder haalbaar.

"Methaan heeft een leidende rol gespeeld in deze hypothese, "Zei Reinhard. "Als zuurstof en methaan de atmosfeer binnenkomen, ze heffen elkaar in de loop van de tijd chemisch op in een complexe keten van chemische reacties. Omdat er toen extreem weinig zuurstof in de lucht zat, het zou het methaan mogelijk hebben gemaakt om veel hogere niveaus op te bouwen dan nu."

Ijzer, en roest fotosynthese

De kern van het model zijn twee verschillende soorten fotosynthese. Maar drie miljard jaar geleden, het dominante type fotosynthese dat we vandaag kennen en dat zuurstof wegpompt, heeft misschien nog niet eens bestaan.

In plaats daarvan, twee andere zeer primitieve bacteriële fotosynthetische processen waren waarschijnlijk essentieel voor de oude biosfeer van de aarde. Een veranderde ijzer in de oceaan in roest, en de andere fotosynthetiseerde waterstof tot formaldehyde.

"Het model was gebaseerd op veel vulkanische activiteit die waterstof uitspuwde, " zei Ozaki. Andere bacteriën fermenteerden het formaldehyde, en andere bacteriën, nog altijd, veranderde het gefermenteerde product in methaan.

De twee fotosynthetische processen dienden als de horlogeveer van het uurwerk van het model, die 359 eerder vastgestelde biogeochemische reacties op het land binnenhaalde, zee en lucht.

3, 000, 000 runs en razende methaan

Het model was niet het type simulatie dat een video-animatie van de oude biogeochemie van de aarde produceert. In plaats daarvan, het model analyseerde wiskundig de processen, en de output was cijfers en grafieken.

Ozaki heeft het model meer dan 3 miljoen keer uitgevoerd, variërende parameters, en ontdekte dat als het model beide vormen van fotosynthese bevat die in tandem werken, dat 24 procent van de runs genoeg methaan produceerde om het nodige evenwicht in de atmosfeer te creëren om het broeikaseffect te behouden en de oude aarde te behouden, of mogelijk een exoplaneet, gematigd.

"Dat vertaalt zich in ongeveer 24 procent kans dat dit model een stabiele, warm klimaat op de oude aarde met een zwakke zon of op een aardachtige exoplaneet rond een zwakkere ster, " zei Reinhard. "Andere modellen die deze fotosynthetische metabolismes afzonderlijk hebben bekeken, hebben veel lagere kansen om voldoende methaan te produceren om het klimaat warm te houden."

"We zijn ervan overtuigd dat deze vrij unieke statistische benadering betekent dat u de basisinzichten van dit nieuwe model naar de bank kunt brengen, " hij zei.

Andere verklaringen voor de "vage jonge zonparadox" waren meer catastrofaal en misschien minder regelmatig in hun dynamiek. Ze bevatten ideeën over routinematige inslagen van asteroïden die seismische activiteit aanwakkeren, wat resulteert in meer methaanproductie, of over de zon die consequent coronale massa-ejecties op de aarde afvuurt, het opwarmen.