För att anses beboelig behöver en planet ha flytande vatten. Celler, den minsta livsenheten, behöver vatten för att utföra sina funktioner. För att flytande vatten ska existera måste temperaturen på planeten vara rätt. Men hur är det med planetens storlek?
Utan tillräcklig massa kommer en planet inte att ha tillräckligt med gravitation för att hålla fast vid sitt vatten. En ny studie försöker förstå hur storleken påverkar en planets förmåga att hålla fast vid sitt vatten, och som ett resultat, dess beboelighet.
Frågan om vad som kan göra en planet beboelig är en pågående debatt. Inte bara för exoplaneter, utan för några av månarna i vårt eget solsystems framtid. Forskare har en ganska bra uppfattning om hur mycket energi en planet behöver ta emot från sin stjärna för att behålla flytande vatten. Det har gett upphov till den populära föreställningen om ' Guldlockszon , eller den circumstellar beboeliga zonen, en närhet som varken är för nära eller för långt från en stjärna för att flytande vatten ska finnas kvar på en planet.
I takt med att sökandet efter exoplaneter i beboeliga zoner ökar, och när vi får bättre teleskop och tekniker för att studera exoplaneter mer i detalj, behöver forskare fler begränsningar för vilka planeter de ska spendera på att observera resurser. Som detta dokument visar kan en planets massa vara ett användbart filter.
Den nya tidningen heter ' Atmosfärisk evolution på vattenvärldar med låg gravitation .” Den är publicerad i The Astrophysical Journal. Huvudförfattare är Constantin W. Arnscheidt, en Grad Student vid MIT.
För att behålla flytande vatten på sin yta, och en atmosfär, måste en exoplanet eller en exomoon ha tillräckligt med massa, annars kommer vattnet och atmosfären helt enkelt att driva ut i rymden. Och den måste hålla på vattnet tillräckligt länge för att livet ska dyka upp. Astronomer använder en siffra på en miljard år för att det ska hända.
'När människor tänker på de inre och yttre kanterna av den beboeliga zonen, tenderar de att bara tänka på det spatialt, vilket betyder hur nära planeten är stjärnan', säger Constantin Arnscheidt, första författare till tidningen. 'Men faktiskt finns det många andra variabler för beboelighet, inklusive massa. Att sätta en nedre gräns för beboelighet i termer av planetstorlek ger oss en viktig begränsning i vår pågående jakt på beboeliga exoplaneter och exomuner.'
'Guldlock'-zonen runt en stjärna är där en planet varken är för varm eller för kall för att bära flytande vatten. Men ny forskning visar att planeter inte bara måste vara i rätt närhetsområde för att anses vara beboeliga, de måste ha tillräckligt med massa. Illustration av Petigura/UC Berkeley, Howard/UH-Manoa, Marcy/UC Berkeley.
Storleken och räckvidden för den beboeliga zonen beror på stjärnan. En mindre, mindre energisk stjärna som en röd dvärg skapar en beboelig zon närmare sig själv än en större stjärna som vår sol. Detta är väl förstått. Om en planet är för långt från stjärnan fryser vattnet. För nära, och den skenande växthuseffekten inträffar, och vattnet förvandlas till ånga och kan koka bort i rymden.
Men för små planeter med lägre massa händer det mer. De kanske kan motstå den skenande växthuseffekten.
När en planet med lägre massa värms upp expanderar atmosfären. Den blir större i förhållande till storleken på planeten den omger. Det har två effekter: den ökade ytstorleken innebär att atmosfären kan absorbera mer energi än den brukade, och den kan också utstråla mer energi än den brukade.
Det övergripande resultatet av detta, enligt forskarna, är att den expanderade atmosfären stoppar den skenande växthuseffekten, och de kan behålla sitt flytande ytvatten. Detta innebär att de kan vara närmare sin stjärna utan att förlora sitt vatten, och därmed utöka Guldlockszonen för mindre exoplaneter.
Det finns en gräns såklart. Om en planet med låg massa är för liten kommer den inte att ha tillräckligt med gravitation, och atmosfären kommer att tas bort, och vattnet kommer antingen att tas bort med den eller frysas på ytan. Det betyder att utsikterna för livet är svaga. Forskarna säger att det finns en kritisk nedre gräns för att en planet ska vara beboelig. Det betyder att det inte bara finns ett band av närhet till stjärnan som bestämmer en planets beboelighet, det finns en storleksgräns.
Enkelt uttryckt kan en planet vara för liten för att vara beboelig, även om den är i Guldlockszonen.
Den här illustrationen visar en nedre gräns för beboelighet i termer av en planets massa. Om ett föremål är mindre än 2,7 procent av jordens massa, kommer dess atmosfär att fly innan det någonsin har chansen att utveckla flytande ytvatten (illustration med tillstånd av Harvard SEAS).
Den kritiska storleken, enligt Arnscheidt och de andra författarna till studien, är 2,7 procent av jordens massa. De säger att det är mindre än så, och planeten kommer helt enkelt inte att kunna hålla kvar sin atmosfär och vatten tillräckligt länge för att liv ska dyka upp. För sammanhanget är månen 1,2 procent av jordens massa och Merkurius är 5,53 procent.
Forskarna använder kometliknande planeter som exempel. Kometer har mycket vatten, som sublimeras när de kommer nära solen. Men de saknar den massa som krävs för att hålla fast den ångan, och de kan aldrig bilda en atmosfär. Vattnet går förlorat till rymden. Så en planet som var för liten, även om den hade mycket vatten, skulle aldrig hålla fast vid den.
Forskarna använde modeller för att uppskatta lågmassaplanetens beboeliga zon runt två olika typer av stjärnor: en M-typ eller röd dvärgstjärna och en G-typ stjärna som vår sol.
En konstnärs illustration av en exoplanet och dess måne som kretsar kring en röd dvärgstjärna. Av NASA/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics/D. Aguilar – http://www.nasa.gov/sites/default/files/reddwarfplanet_cfa_full_1.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31666101
De kan också ha löst en annan långvarig fråga om beboelighet i vårt eget solsystem. Jupiters månar Ganymedes , Callisto , och Europa alla har massor av flytande vatten, fångat under lager av is. Astronomer har undrat om de skulle vara beboeliga när solen strålar ut mer energi någon gång i sin stjärnframtid. Men enligt författarnas arbete saknar de massan för att hålla fast vid det vattnet, även om de blev tillräckligt varma. Ganymedes kommer nära, med 2,5 % jordmassa, men den är tillräckligt liten för att vara 'kometliknande' och förlora allt sitt vatten till rymden.
”Lågmassa vattenvärldar är en fascinerande möjlighet i sökandet efter liv, och den här artikeln visar hur olika deras beteende sannolikt kommer att vara jämfört med jordliknande planeter, säger Robin Wordsworth, docent i miljövetenskap och teknik vid SEAS och senior författare till studien. 'När observationer för den här klassen av objekt blir möjliga, kommer det att bli spännande att försöka testa dessa förutsägelser direkt.'
Som det visar sig är jorden inte bara på rätt avstånd från solen för att vara beboelig, utan vår planet är också i rätt massintervall. Kredit: NASA Goddard Space Flight Center
Forskarna gjorde några nödvändiga antaganden i sitt arbete. De antog att atmosfären i deras lågmassavärldar var ren vattenånga. De antog också att vattnet var fixerat till 40% av planetens massa. De ignorerade också vissa andra faktorer, som CO2-cykling, molntäcke och havskemi. Det finns helt enkelt för många variabler att modellera i detta skede av deras arbete.
Författarna tar också upp idén om beboeligt exomoons snarare än exoplaneter. Det är tänkbart att månar i andra solsystem är mer benägna att vara beboeliga än planeter. I så fall spelar andra faktorer in, som tidvattenkrafter. Det kan vara särskilt sant runt M-typ stjärnor eller röda dvärgar. Det beror på att den cirkumstellära beboeliga zonen runt dessa lågenergistjärnor redan är mycket närmare stjärnan än runt en G-typ stjärna som vår sol. De kombinerade gravitationskrafterna från exomånen, dess planet och stjärnan kan helt och hållet eliminera beboelighet.
De erkänner också några av de många andra faktorer som påverkar beboelighet. Till exempel, även om månar som Ganymedes kan vara för små för att vara beboeliga i sin modell, kan de mycket väl vara liv i deras underjordiska hav, där vattnet hindras från att fly av ett tjockt lager av is.
Det finns mycket mer arbete att göra när det gäller att bestämma beboelighet. Som författarna säger i sin artikel, 'Vidare arbete kan överväga mer komplicerade modeller för hydrodynamisk flykt.' Det finns mer variation och komplexitet i exoplaneter än vi vet just nu, men den här studien börjar ta itu med en del av det.
Mer:
- Pressmeddelande: En Guldlockszon för planetstorlek
- Uppsats: Atmosfärisk evolution på vattenvärldar med låg gravitation
- Universum idag: Vilka beboeliga zoner är bäst att faktiskt söka efter liv?