Navzdory tisícům exoplanet, které astronomové objevili v posledních letech, je určení, zda některý z nich je obyvatelný, hlavní výzvou. Protože nemůžeme tyto planety studovat přímo, vědci jsou nuceni hledat nepřímé náznaky. Jedná se o biosignatury, které se skládají z chemických vedlejších produktů, které spojujeme s organickým životem, který se objevuje v atmosféře planety.
Nová studie týmu vědců NASA navrhuje novou metodu hledání potenciálních známek života mimo naši sluneční soustavu. Klíčem, který doporučují, je využít časté hvězdné bouře z chladných mladých trpaslíků. Tyto bouře vrhají obrovské mraky hvězdného materiálu a záření do vesmíru, interagují s exoplanetovými atmosférami a vytvářejí biologické podpisy, které by mohly být detekovány.
Studie s názvem „Atmosférické majáky života z exoplanet kolem G a K Stars“ se nedávno objevila v Vědecké zprávy o přírodě. V čele s Vladimirem S. Airapetianem, vyšším astrofyzikem z Heliophysics Science Division (HSD) v NASA Goddard Space Flight Center, do týmu byli členové z Langley Research Center NASA, Science Systems and Applications Incorporated (SSAI) a americké univerzity .
Vědci tradičně hledali známky kyslíku a metanu v exoplanetových atmosférách, protože se jedná o dobře známé vedlejší produkty organických procesů. V průběhu času se tyto plyny hromadí a dosahují množství, která by mohla být detekována pomocí spektroskopie. Tento přístup je však časově náročný a vyžaduje, aby astronomové trávili dny snahou pozorovat spektra ze vzdálené planety.
Ale podle Airapetiana a jeho kolegů je možné hledat drsnější podpisy na potenciálně obývatelných světech. Tento přístup by se spoléhal na stávající technologii a zdroje a zabíral by to podstatně méně času. Jak vysvětlil Airapetian v tiskové zprávě NASA:
"Hledáme molekuly vytvořené od základních předpokladů k životu - konkrétně molekulárního dusíku, což je 78 procent naší atmosféry." Jsou to základní molekuly, které jsou biologicky přátelské a mají silnou infračervenou emisní sílu, což zvyšuje naši šanci je detekovat. “
Airapetian se svým týmem použil jako šablonu život na Zemi a vytvořil novou metodu pro vzhled nebo známky vedlejších produktů vodní páry, dusíku a kyslíku v atmosféře exoplanet. Skutečný trik však spočívá v tom, že využijete druhy extrémních událostí v kosmickém počasí, ke kterým dochází u aktivních trpaslíků. Tyto události, které vystavují planetární atmosféru výbuchu záření, způsobují chemické reakce, které mohou astronomové zachytit.
Pokud jde o hvězdy, jako je naše Slunce, žlutý trpaslík typu G, jsou takové povětrnostní události běžné, když jsou ještě mladé. Je však známo, že jiné žluté a oranžové hvězdy zůstávají aktivní po miliardy let a vytvářejí bouře energetických, nabitých částic. A hvězdy typu M (červené trpaslíci), nejčastější typ ve vesmíru, zůstávají aktivní po celý svůj život a pravidelně vystavují své planety mini-erupcím.
Když dosáhnou exoplanety, reagují s atmosférou a způsobují chemickou disociaci dusíku (N2) a kyslíku (O²) na jednotlivé atomy a vodní páru na vodík a kyslík. Rozbité atomy dusíku a kyslíku pak způsobují kaskádu chemických reakcí, které produkují hydroxyl (OH), molekulárnější kyslík (O) a oxid dusnatý (NO) - to, co vědci označují jako „atmosférické majáky“.
Když hvězdné světlo zasáhne atmosféru planety, tyto majákové molekuly absorbují energii a emitují infračervené záření. Zkoumáním konkrétních vlnových délek tohoto záření jsou vědci schopni určit, jaké chemické prvky jsou přítomny. Intenzita signálu těchto prvků je také známkou atmosférického tlaku. Tyto hodnoty dohromady umožňují vědcům určit hustotu a složení atmosféry.
Po celá desetiletí astronomové také používali model k výpočtu toho, jak se v atmosféře Země vytváří ozon (O³) z kyslíku, který je vystaven slunečnímu záření. Airapetian a jeho kolegové se pomocí stejného modelu - a jeho spárování s událostmi ve vesmíru, které se očekávají od chladných, aktivních hvězd - pokusili vypočítat, kolik oxidu dusnatého a hydroxylu by se vytvořilo v atmosféře podobné Zemi a kolik by byl zničen ozon. .
Aby toho dosáhli, konzultovali data z mise NASA Termosphere Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics (TIMED), která roky studuje tvorbu majáků v zemské atmosféře. Konkrétně použili data ze svého sondování atmosféry pomocí přístroje Broadband Emission Radiometry (SABER), který jim umožnil simulovat, jak se mohou infračervená pozorování těchto majáků objevit v exoplanetové atmosféře.
Jak Martin Mlynczak, hlavní řešitel SABER v Langley Research Center NASA a spoluautor příspěvku, uvedl:
"Vzhledem k tomu, co víme o infračerveném záření emitovaném zemskou atmosférou, je myšlenkou podívat se na exoplanety a zjistit, jaké signály můžeme detekovat." Pokud zjistíme exoplanetové signály téměř ve stejném poměru jako Země, můžeme říci, že planeta je dobrým kandidátem pro hostování života. “
Zjistili, že frekvence intenzivních hvězdných bouří přímo souvisí s intenzitou tepelných signálů přicházejících z atmosférických majáků. Čím více bouří se vyskytuje, tím více molekul majáku je vytvořeno, které generují signál dostatečně silný, aby byl pozorován ze Země pomocí kosmického dalekohledu, a na základě pouhých dvou hodin doby pozorování.
Zjistili také, že tento způsob může vyřadit exoplanety, které nemají magnetické pole podobné Zemi, které přirozeně interaguje s nabitými částicemi ze Slunce. Přítomnost takového pole je to, co zajišťuje, že atmosféra planety není odstraněna, a je proto zásadní pro obývatelnost. Jak vysvětlil Airapetian:
"Planeta potřebuje magnetické pole, které chrání atmosféru a chrání planetu před hvězdnými bouřkami a zářením." Pokud hvězdné větry nejsou tak extrémní, že komprimují magnetické pole exoplanet blízko svého povrchu, zabrání magnetické pole atmosférickému úniku, takže v atmosféře je více částic a silnější výsledný infračervený signál. “
Tento nový model je významný z několika důvodů. Na jedné straně to ukazuje, jak výzkum, který umožnil podrobné studium zemské atmosféry a jak interaguje s kosmickým počasím, je nyní směřován ke studiu exoplanet. Je to také vzrušující, protože by to mohlo umožnit nové studie obývatelnosti exoplanet kolem určitých tříd hvězd - od mnoha typů žlutých a oranžových hvězd po chladné červené trpasličí hvězdy.
Červení trpaslíci jsou nejčastějším typem hvězdy ve vesmíru a představují 70% hvězd ve spirálových galaxiích a 90% v eliptických galaxiích. A co víc, na základě nedávných objevů astronomové odhadují, že červené trpasličí hvězdy budou pravděpodobně mít systémy skalnatých planet. Výzkumný tým také očekává, že kosmické nástroje nové generace, jako je James Webb Space Telescope, zvýší pravděpodobnost nalezení obyvatelných planet pomocí tohoto modelu.
Jak William Danchi, Goddardův starší astrofyzik a spoluautor studie, řekl:
„Nové poznatky o životním potenciálu exoplanet kriticky závisí na interdisciplinárním výzkumu, ve kterém jsou data, modely a techniky využívány čtyřmi vědeckými odděleními NASA Goddard: heliofyzika, astrofyzika, planetární a věd o Zemi. Tato směs vytváří jedinečné a výkonné nové cesty pro výzkum exoplanet. “
Dokud nebudeme schopni přímo studovat exoplanety, je jakýkoli vývoj, díky němuž jsou biosignatury zřetelnější a snáze detekovatelné, neuvěřitelně cenný. V nadcházejících letech doufají, že Project Blue a Breakthrough Starshot provedou první přímé studie systému Alpha Centauri. Mezitím však vylepšené modely, které nám umožňují zkoumat nespočet dalších hvězd pro potenciálně obyvatelné exoplanety, jsou zlaté!
Nejenom, že výrazně zlepší naše chápání toho, jak běžné jsou takové planety, ale mohou nás namířit směrem k jedné nebo více Zemím 2.0!
