Röda dvärgstjärnor är den vanligaste typen av stjärna i vårt närområde, och förmodligen i Vintergatan. På grund av det är många av de jordliknande och potentiellt livsuppehållande exoplaneterna vi har upptäckt i omloppsbana runt röda dvärgar. Problemet är att röda dvärgar kan uppvisa ett intensivt blossande beteende, mycket mer energisk än vår relativt lugna sol.
Så vad betyder det för potentialen för dessa exoplaneter att faktiskt stödja liv?
Det mesta livet på jorden, och förmodligen på andra världar, förlitar sig på stjärnenergi för att överleva. Solen har varit motorn för livet på jorden sedan de första cellerna reproducerades. Men ibland, som alla stjärnor, agerar solen och sänder ut bloss.
Ibland avger den extremt energiska bloss. Den kraftfulla magnetiska energin i solens atmosfär blir instabil och en enorm mängd energi frigörs. Om det släpps mot jorden kan det orsaka problem . Det kan leda till störningar i radiokommunikationen och till och med strömavbrott.
Men när det gäller blossande aktivitet är solen relativt svag jämfört med vissa andra stjärnor. Vissa stjärnor, särskilt röda dvärgar, kan blossa ut ofta och våldsamt. Ett team av forskare studerade hur blossande aktivitet påverkar atmosfären och potentialen för liv på jordliknande planeter som kretsar kring stjärnor med låg massa, inklusive stjärnor av M-typ, stjärnor av K-typ och stjärnor av G-typ.
På den här bilden fångade Solar Dynamics Observatory (SDO) en solflare av klass X1.2, som nådde sin topp den 15 maj 2013. Kredit: NASA/SDO
Den nya studien heter ' Uthållighet av flamdriven atmosfärisk kemi i steniga beboeliga zonvärldar .” Huvudförfattare är Howard Chen, en Ph.D. student vid Northwestern University. Uppsatsen är publicerad i tidskriften Nature Astronomy.
'Vår sol är mer av en mild jätte', säger Allison Youngblood, en astronom vid University of Colorado i Boulder och medförfattare till studien. 'Den är äldre och inte lika aktiv som yngre och mindre stjärnor. Jorden har också ett starkt magnetfält, som avleder solens skadliga vindar.'
Det hjälper till att förklara varför jorden 'porrande av liv' som Carl Sagan beskrev vår planet. Men för planeter som kretsar kring lågmassastjärnor som röda dvärgar (M-dvärgar) är situationen mycket annorlunda.
'I vissa fall eroderar inte blossning allt atmosfäriskt ozon. Ytlivet kan fortfarande ha en chans att slåss.'
Daniel horton, seniorförfattare, Northwestern University
Vi vet att solutbrott och tillhörande koronala massutkastningar kan vara mycket skadliga för utsikterna för liv på oskyddade exoplaneter. Författarna skriver i sin introduktion att 'Stjärnaktivitet - som inkluderar stjärnflammor, koronala massutstötningar (CME) och stjärnprotonhändelser (SPE) - har en djupgående inverkan på en planets beboelighet, främst genom dess effekt på atmosfäriskt ozon.'
En enda flare här och där över tiden har inte mycket effekt. Men många röda dvärgar uppvisar mer frekvent och långvarig blossning.
Konstnärens intryck av en blossande röd dvärgstjärna, kretsad av en exoplanet. Kredit: NASA, ESA och G. Bacon (STScI)
'Vi jämförde atmosfärskemin hos planeter som ofta upplever flare med planeter som inte upplever några flare. Atmosfärskemin på lång sikt är väldigt annorlunda, säger Howard Chen från Northwestern, studiens första författare, i en pressmeddelande . 'Kontinuerliga flammor driver faktiskt en planets atmosfäriska sammansättning in i en ny kemisk jämvikt.'
En av sakerna som teamet tittade på var ozon, och effekten av blossar har på det. Här på jorden hjälper vårt ozonskikt till att skydda oss från solens UV-strålning. Men extrem utblossande aktivitet på röda dvärgar kan förstöra ozon i atmosfären på planeter som kretsar nära den. När ozonnivåerna sjunker är en planet mindre skyddad från UV-strålning från dess stjärna. Kraftfull UV-strålning kan minska risken för liv.
I sin studie använde teamet modeller för att förstå fackling och dess effekter på exoplanetatmosfärer. De använde blossande data från NASA:s TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) och långsiktiga exoplanetklimatdata från andra studier. De hittade några fall där ozon kvarstod, trots blossning.
'Vi har funnit att stjärnflammor kanske inte utesluter existensen av liv', tillade Daniel Horton, studiens seniorförfattare. 'I vissa fall eroderar inte blossning allt atmosfäriskt ozon. Ytlivet kan fortfarande ha en chans att slåss.'
Denna siffra från studien visar globala genomsnittliga vertikala profiler av atmosfäriska arter på en simulerad planet runt en solliknande stjärna av G-typ. Från vänster till höger är blandningsförhållandena för ozon, dikväveoxid, salpetersyra och vattenånga. Bildkredit: Chen et al, 2020.
Planeter som kan stödja liv, åtminstone potentiellt, kan vara i en tuff plats. De måste vara tillräckligt nära sina stjärnor för att förhindra att deras vatten fryser, men inte för nära eller så är de för varma. Men denna dans med närhet kan utsätta dem för de kraftfulla blossarna.
Röda dvärgar är mindre och kallare än vår sol, så det betyder att den beboeliga zonen för alla planeter som kretsar kring dem är mindre och mycket närmare stjärnan än jorden är solen. Det utsätter dem inte bara för bloss, utan leder till att planeter låses fast vid sina stjärnor. Kombinationen av fackling och tidvattenlåsning kan vara dåligt för livets utsikter. Jordens rotation genererar dess skyddande magnetosfär, men tidvattenlåsta planeter kan inte generera en och är i stort sett oskyddade från stjärnstrålning.
'Vi studerade planeter som kretsar i de beboeliga zonerna av M- och K-dvärgstjärnor - de vanligaste stjärnorna i universum,' sa Horton. 'Beboeliga zoner runt dessa stjärnor är smalare eftersom stjärnorna är mindre och mindre kraftfulla än stjärnor som vår sol. På baksidan tros M- och K-dvärgstjärnor ha mer frekvent blossande aktivitet än vår sol, och deras tidvattenlåsta planeter kommer sannolikt inte att ha magnetfält som hjälper till att avleda deras stjärnvindar.'
Denna siffra från studien visar hur upprepad stjärnflammning kan förändra de atmosfäriska gaserna i en simulerad jordliknande planet runt en solliknande stjärna. Bildkredit: Chen et al, 2020.
Det finns en mer positiv sida med denna studie också. Teamet fann att flammande aktivitet faktiskt kan hjälpa sökandet efter liv. Lackorna kan göra det lättare att upptäcka vissa gaser som är biomarkörer. I det här fallet fann de att energi från fackling kan belysa närvaron av gaser som salpetersyra, dikvävedioxid och dikväveoxid, som alla kan vara indikatorer på levande processer.
Denna siffra från studien visar hur upprepad stjärnflammning kan påverka atmosfärens kemi på en modellerad jordliknande planet runt en stjärna av K-typ. Notera de förhöjda nivåerna av detekterbar NO, en potentiell biomarkör. Bildkredit: Chen et al, 2020.
'Rymdens väderhändelser ses vanligtvis som en nackdel för beboeligheten,' sa Chen. 'Men vår studie visade kvantitativt att en del rymdväder faktiskt kan hjälpa oss att upptäcka signaturer av viktiga gaser som kan betyda biologiska processer.'
Men bara några. I andra fall visade deras arbete att fackling kan förstöra potentiella biosignaturer från anoxiskt liv. 'Även om vi rapporterar 3D-effekterna av stjärnflammor på oxiderande atmosfärer, kan starka flammor ha andra oväntade effekter på atmosfärer med reducerande förhållanden. Till exempel kan väteoxidarter som härrör från stjärnflammor förstöra viktiga anoxiska biosignaturer som metan, dimetylsulfid och karbonylsulfid61, och därigenom undertrycka deras spektroskopiska egenskaper', rapporterar författarna.
Ett annat intressant resultat av denna studie gäller exoplanetmagnetosfärer. De finner att hyperflares kan hjälpa till att avslöja naturen och omfattningen av magnetosfärer. 'Mer spekulativt kan protonhändelser under hyperflares avslöja förekomsten av magnetiska fält i planetarisk skala genom att lyfta fram särskilda regioner på planeten. Genom att identifiera kväve- eller väteoxidavgivande flödesfingeravtryck under magnetiska stormar och/eller norrskenshändelser, kan man kanske bestämma den geometriska utsträckningen av exoplanetära magnetosfärer.'
Hyperflares kan hjälpa oss att förstå omfattningen av exoplanetmagnetosfärer genom att identifiera omfattningen av kväveoxidflödesfingeravtryck. Bildkredit: Chen et al, 2020.
Annan nyligen genomförd forskning har antytt att exoplaneter som utsätts för utvidgning, särskilt runt röda dvärgstjärnor, inte är bra platser för att leta efter liv. Den blossande aktiviteten är för skadlig. Men den här studien visar att situationen är mer komplex.
Sammantaget visar det att fackling kan hjälpa oss att upptäcka biosignaturer i vissa fall. Den visar också att även om utblossning kan störa exoplanetatmosfärer, återgår de i många fall till det normala. Det är också ett faktum att stjärnor med låg massa lever mycket längre än stjärnor som vår sol, vilket betyder att det finns mer tid för liv att utvecklas på deras planeter.
Detta nya arbete belyser hur komplicerat sökandet efter liv är, och hur många variabler som är inblandade. Och den innehåller åtminstone en överraskning. Medan blossning till stor del har ansetts vara skadlig för exoplaneternas beboelighet, betyder det faktum att det kan hjälpa till att upptäcka biosignaturer att det händer mer än väntat.
Konstnärens intryck av steniga exoplaneter som kretsar kring Gliese 832, en röd dvärgstjärna bara 16 ljusår från jorden. Många av de jordliknande exoplaneter vi har upptäckt kretsar kring röda dvärgstjärnor. Kredit: ESO/M. Kornmesser/N. Risinger (skysurvey.org).
Denna forskning krävde samarbete från forskare inom många discipliner. Den förlitade sig på klimatforskare, astronomer, observatörer och teoretiker, och naturligtvis exoplanetforskare.
“Detta projekt var ett resultat av fantastiska kollektiva lagarbete,| sa Eric T. Wolf, en planetforskare vid CU Boulder och medförfattare till studien. |Vårt arbete belyser fördelarna med tvärvetenskapliga insatser när vi undersöker förhållanden på extrasolära planeter.|
Mer:
- Pressmeddelande: Uppsidan av flyktigt rymdväder
- Ny forskning: Uthållighet av flamdriven atmosfärisk kemi i steniga beboeliga zonvärldar
- Universum idag: Hur dåliga är superflares för en planets beboelighet?