De flesta exoplaneter kommer inte att ta emot tillräckligt med strålning för att stödja en jordliknande biosfär
Hittills har astronomer bekräftat förekomsten av 4 422 extrasolära planeter i 3 280 stjärnsystem, med ytterligare 7 445 kandidater som väntar på bekräftelse. Av dessa har bara en liten bråkdel (165) varit jordnära (aka. stenig) till sin natur och jämförbar i storlek med jorden – d.v.s. inte 'superjordar'. Och ännu färre har hittats som kretsar inom sin moderstjärnas circumsolar beboeliga zon (HZ).
Under de kommande åren kommer detta sannolikt att förändras när nästa generations instrument (som James Webb) kan observera mindre planeter som kretsar närmare sina stjärnor (vilket är där jordliknande planeter är mer benägna att vistas). Men enligt a ny studie av forskare från Universitetet i Neapel och den Italienska nationella institutet för astrofysik (INAF), jordliknande biosfärer kan vara mycket sällsynta för exoplaneter.
Studien, med titeln ' Effektiviteten av den syrehaltiga fotosyntesen på jordliknande planeter i den beboeliga zonen ', publicerades nyligen iMånatliga meddelanden från Royal Astronomical Society. Under ledning av astrofysikprofessor Giovanni Covone vid University of Napoli fokuserade teamet på huruvida exoplaneter som upptäckts hittills får nog eller inte Fotosyntetiskt aktiv strålning (PAR) för att möjliggöra utvecklingen av komplexa biosfärer.
Denna konstnärs intryck visar planeten som kretsar kring den solliknande stjärnan HD 85512 i den södra konstellationen Vela (Seglet). Kredit: ESO/M. Kornmesser
Detta arbete bygger på vad vi har fått veta om utvecklingen av jordens biosfär, som har förändrats drastiskt över tiden. Från vad forskare har kunnat sammanställa från de geologiska uppgifterna, klimatologiska studier och fossiliserade lämningar, är det en teori att de första livsformerna dök upp på jorden för ungefär 4 miljarder år sedan, bara 500 miljoner år efter att planeten bildades från den protoplanetära skivan som omringade vår sol.
Kort därefter uppstod encelliga mikrober som förlitade sig på fotosyntes för att generera näringsämnen och molekylärt syre (O2) från solljus och koldioxid – som utgjorde en betydande del av jordens atmosfär vid den tiden. Vid den paleoproterozoiska eran (ca 2,4 till 2,0 miljarder år sedan) ledde detta till ' Stort syresättningsevenemang ', där molekylärt syre långsamt började ackumuleras i jordens atmosfär och möjliggjorde uppkomsten av mer komplexa livsformer.
Specifikt förlitade sig fotosyntetiska organismer på solstrålning som sträcker sig från 400 till 700 nanometer på det elektromagnetiska spektrumet för att utföra 'syregenskapande fotosyntes' - vilket ungefär motsvarar det ljusområde som det mänskliga ögat kan uppfatta - aka. synligt ljus. Detta är av stor oro för astrobiologer eftersom solliknande stjärnor (gula dvärgar av G-typ) är sällsynta, med uppskattningsvis 4,1 miljarder i Vintergatans galax (mellan 1 % och 4 %).
Det är huvudsekvensen av röda dvärgar av M-typ som utgör majoriteten av stjärnorna i vårt universum, och de står för ungefär 75 % enbart i vår galax. Jämfört med solliknande stjärnor är röda dvärgar svalare och mindre lysande och är kända för sin förhöjda utblossningsaktivitet och producerar en betydande mängd strålning i det ultravioletta bandet. Dessutom, baserat på den nuvarande folkräkningen av steniga exoplaneter, anses röda dvärgar vara den mest sannolika platsen att hitta jordliknande planeter.
Konstnärlig representation av den potentiellt beboeliga planeten Kepler 422-b (vänster), jämfört med jorden (höger). Kredit: Ph03nix1986/Wikimedia Commons
För sin studies skull undersökte Covone och hans kollegor hur mycket energi som kända terrestra exoplaneter får och om det skulle räcka för att producera näringsämnen och molekylärt syre. Som Prof. Covone sammanfattade i ett Royal Astronomical Society nyhetssläpp :
'Eftersom röda dvärgar är den absolut vanligaste typen av stjärna i vår galax, indikerar detta resultat att jordliknande förhållanden på andra planeter kan vara mycket mindre vanliga än vi kanske hoppas. Den här studien sätter starka begränsningar på parameterutrymmet för komplext liv, så tyvärr verkar det som att den 'sweet spot' för att hysa en rik jordliknande biosfär inte är så bred.'
De fann att av alla kända steniga exoplaneter är bara en nära att få den mängd PAR som den skulle behöva för att upprätthålla en stor biosfär. Detta var Kepler-442b , en stenig planet som är ungefär dubbelt så massiv som jorden (aka. en superjord) som kretsar inom HZ för en orange dvärg av K-typ som ligger ungefär 1 206 ljusår bort. De fann vidare att stjärnor med hälften av vår sols yttemperatur – 5 778 K (5500 °C; 9940 °F) – eller mindre inte kan upprätthålla jordliknande biosfärer.
Detta gäller många orangea dvärgstjärnor av K-typ, som har yttemperaturer på 3 900 till 5 200 K (3625 till 4925 °C; 6560 till 8900 °F). Medan planeter som kretsar kring dem fortfarande kunde utföra syrehaltig fotosyntes, skulle de inte kunna upprätthålla rika biosfärer. Samtidigt skulle alla röda dvärgar av M-typ – som sträcker sig från 2 000 till 3 900 K (1725 till 4925 °C; 3140 till 8900 °F) – inte få tillräckligt med energi för att ens aktivera fotosyntesen.
NASA:s James Webb-teleskop, som visas i den här konstnärens föreställning, kommer att ge mer information om tidigare upptäckta exoplaneter. Efter 2020 förväntas många fler nästa generations rymdteleskop bygga vidare på vad de upptäcker. Kredit: NASA
Samtidigt faller stjärnor inom O-, B-, A- eller F-spektralområdet (som vanligtvis är blå eller vita) och har yttemperaturer som sträcker sig från över 30 000 K (29 725 °C; 53 540 °F) till ett lågt värde på 5 200 K (4925 °F) C; 8 900°F). Även om planeter som kretsar inom HZ för dessa stjärnor kan ge upphov till fotosyntetiska organismer, skulle de inte kunna upprätthålla biosfärer tillräckligt länge för att komplext liv ska utvecklas.
Dessa fynd påminner om tidigare forskning gjord av Manasvi Lingam och Abraham Loeb , en postdoktor och Frank B. Baird Jr. professor i vetenskap vid Harvard University (respektive). I en studie från 2019, med titeln ' Fotosyntes på beboeliga planeter runt lågmassastjärnor ”, visade de hur planeter som kretsar kring röda dvärgstjärnor kanske inte får tillräckligt med fotoner för att stödja fotosyntes.
I november 2021, James Webb rymdteleskop (JWST) kommer att skjuta upp i rymden, där den kommer att använda sin avancerade infraröda bildkapacitet för att upptäcka mindre planeter som kretsar närmare sina stjärnor, särskilt röda dvärgar. År 2024 kommer det att följas av Nancy Grace romerska rymdteleskop (RST), som kommer att använda sin sofistikerade optik och breda synfält (100 gånger det för Hubble) för att upptäcka fler exoplaneter än någonsin tidigare.
Dessa och andra sofistikerade observatorier kommer att öka antalet bekräftade exoplaneter exponentiellt och kasta nytt ljus över vad som krävs för att en planet ska vara beboelig (för livet som vi känner det, i alla fall). Med lite tur kommer vi att upptäcka planetariska miljöer som är kapabla att stödja livet som vi inte känner till det , vilket utökar omfattningen av våra sökinsatser.
Vidare läsning: Royal Astronomical Society , MNRAS