Nachází se v samém srdci NASA Center for Climate Simulation (NCCS) - součástí Goddard Space Flight Center NASA - je superpočítač Discover, 129 000 jaderný cluster procesorů založených na Linuxu. Tento superpočítač, který je schopen provádět operace 6,8 petaflop (6,8 bilionů) za sekundu, je pověřen provozováním sofistikovaných klimatických modelů, které předpovídají, jak bude vypadat Země v budoucnosti.
NCCS však také začala věnovat část superpočítačové síly Discoveru, aby předpověděla, jaké by mohly být podmínky na kterékoli z více než 4000 planet, které byly objeveny mimo naši sluneční soustavu. Nejen, že tyto simulace ukázaly, že mnoho z těchto planet by mohlo být obyvatelných, jsou dalším důkazem, že naše samotné představy o „obývatelnosti“ by mohly použít přehodnocení.
I přes pouhý počet objevů exoplanet, ke kterým došlo v posledních deseti letech, jsou vědci stále nuceni spoléhat na klimatické modely, aby určili, který z nich by mohl být „potenciálně obyvatelný“. V současné době je zkoumání těchto planet pomocí kosmických lodí zcela nepraktické, protože se jedná o pouhé vzdálenosti.
Jak jsme se zmínili v předchozím článku, dosažení současného systému hvězd (Alpha Centauri) pomocí současných metod a technologií by trvalo 19 000 až 81 000 let. Přímé pozorování exoplanet je navíc možné jen ve vzácných případech pomocí dnešních dalekohledů, které obvykle zahrnují obrovské planety, které obíhají kolem jejich hvězd ve velké vzdálenosti. Tyto planety bývají plynovými obry, a proto nejsou kandidáty na obývatelnost.
V každém případě astronomové zjistili, že všechny planety, které byly pozorovány mimo naši Sluneční soustavu, jsou v podstatě eklektické povahy. Z větší části byly dosud potvrzeny 4 108 exoplanet buď plynové giganty typu Neptun (1375), plynové giganty podobné Jupiteru (1293), nebo super-Země (1273). Pouze 161 exoplanet bylo v přírodě pozemní (aka. Skalnaté nebo „podobné zemi“), všechny byly nalezeny kolem hvězd typu M (červený trpaslík).
Jak Elisa Quintana - astrofyzikka Goddarda NASA, která vedla tým odpovědný za objev Kepler-186f, první planety Země v obyvatelné zóně (HZ) v roce 2014 - vysvětlila:
"Po dlouhou dobu se vědci opravdu soustředili na nalezení systémů podobných Slunci a Zemi." To je vše, co jsme věděli. Ale zjistili jsme, že v planetách je celá tato šílená rozmanitost. Našli jsme planety malé jako Měsíc. Našli jsme obrovské planety. A našli jsme nějaké ty malé oběžné dráhy, obří hvězdy a více hvězd. “
Objev pozemských planet, které obíhaly v HZs červených trpaslíků, byl původně zdrojem velkého vzrušení. Nejenže jsou tyto hvězdy nejběžnější v našem vesmíru - tvoří 85% hvězd pouze v Mléčné dráze - ale několik bylo nalezeno na oběžné dráze hvězd, které jsou v těsné blízkosti Sluneční soustavy.
To zahrnuje tři planety, které obíhají v HZ TRAPPIST-1 (ve vzdálenosti 39,46 světelných let) a Proxima b, nejbližší exoplaneta na Zemi (vzdálená 4,24 světelných let). Bohužel v posledních letech bylo provedeno mnoho studií, které naznačují, že by tyto planety měly těžko udržovat životaschopnou atmosféru v průběhu času.
Jednoduše řečeno, skutečnost, že jsou menší a chladnější, znamená, že červení trpaslíci mají HZ, které jsou mnohem blíže k jejich povrchům. To znamená, že jakákoli planeta obíhající s HZ červeného trpaslíka bude s nimi pravděpodobně řádně uzamčena, což znamená, že jedna strana neustále směřuje k hvězdě a na přijímací konec veškerého tepla, záření a slunečního větru této hvězdy.
To, zda by mohly být tyto planety obyvatelné, závisí tedy na řadě faktorů, jako je přítomnost husté atmosféry, přítomnost magnetosféry a správné množství chemických látek. Namísto toho, aby mohli přímo vidět planety a zjistit, zda tyto složky života (alias. Biosignatury) existují, spoléhají vědci na klimatické modely, aby pomohli při hledání „potenciálně obyvatelných“ exoplanet.
Podle Karla Stapelfeldta, hlavního exoplanetárního vědce NASA, který sídlí v Jet Propulsion Laboratory, je schopnost modelovat klima na jiných planetách naprosto nezbytná. do budoucnosti vesmírného průzkumu „Modely vytvářejí konkrétní a ověřitelné předpovědi toho, co bychom měli vidět,“ řekl. "To je velmi důležité pro navrhování našich budoucích dalekohledů a pozorování strategií."
Jednoduše řečeno, modelování klimatu zahrnuje vytvoření simulace toho, jaké bude klima Země (nebo jiné planety) na základě specifických podmínek a / nebo změn prostředí. Celá léta tuto práci vykonával Anthony Del Genio, nedávno vysloužilý vědec v oblasti planetární klima v Goddardově ústavu NASA pro kosmická studia. Během své kariéry Del Genio prováděl simulace klimatu zahrnující Zemi a další planety (včetně Proxima b).
Zkrátka, Proxima b je zhruba stejně velká jako Země a nejméně 1,3krát masivní. Obíhá kolem své hvězdy (Proxima Centauri) jednou za 11,2 pozemských dnů a ve vzdálenosti 0,05 AU (5% vzdálenost mezi Zemí a Sluncem). V této vzdálenosti je planeta pravděpodobně gravitačně uzamčena ke své hvězdě, přičemž jedna strana je neustále vystavena intenzivnímu záření hvězdy, zatímco druhá je vystavena konstantní temnotě a mrazu.
Tým Del Genio však nedávno simuloval možná klima na Proxima b, aby znovu otestoval, kolik z nich by vedlo k teplému a mokrému prostředí schopnému podporovat život. Zajímavé je, že tyto simulace ukázaly, že planety, jako je Proxima b, by mohly být ve skutečnosti obyvatelné, přestože jsou uzamčeny a všechny záření, na které je jedna strana vystavena.
K provedení těchto simulací použil tým Del Genio superpočítač Discover k spuštění planetárního simulátoru, který vyvinuli sami - zvaného ROCKE-3D. Tento simulátor je založen na verzi klimatického modelu Země, která byla poprvé vyvinuta v 70. letech 20. století a která byla upgradována tak, aby mohla simulovat klima na jiných planetách, částečně na základě druhů oběžných drah, které mohou mít, a jejich atmosférických složení.
Pro každou simulaci tým Del Genio změnil podmínky na Proxima b, aby viděl, jak by to mělo vliv na jeho klima. To zahrnovalo úpravu typů a množství skleníkových plynů v atmosféře, hloubky, velikosti a slanosti jeho oceánů a poměru půdy k vodě. Z tohoto důvodu byli schopni vidět, jak obíhají mraky a oceány a jak záření ze sluneční planety bude interagovat s atmosférou a povrchem Proximy b.
Zjistili, že hypotetická cloudová vrstva Proxima b bude působit jako štít, odvádějící sluneční záření od povrchu a snižující teplotu na straně Proxima b směřující ke slunci. To je v souladu s výzkumem prováděným vědci Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) v NASA Goddard, který ukázal, jak může Proxima b vytvářet mraky tak masivní, že pokryly celou oblohu.
Jak vysvětlil Ravi Kopparapu, planetární vědec NASA Goddard, který také modeluje potenciální klima exoplanet:
"Pokud je planeta gravitačně uzamčena a pomalu se otáčí na své ose, před hvězdou se tvoří kruh mraků, vždy směřující k ní." To je způsobeno silou známou jako Coriolisův efekt, který způsobuje konvekci v místě, kde hvězda zahřívá atmosféru. Naše modelování ukazuje, že Proxima b by mohl vypadat takto. “
Spolu s cirkulací oceánu by tento kruh mraků znamenal také to, že teplý vzduch a voda se dokázaly pohybovat na temné straně planety, čímž by dosáhly přenosu tepla a učinily celou planetu pohostinnější. "Takže nejen chráníte atmosféru na noční straně před zamrznutím, ale vytváříte části na noční straně, které skutečně udržují tekutou vodu na povrchu, i když tyto části nevidí žádné světlo," řekl Del Genio.
Kromě cirkulace a udržování tepla jsou atmosféry a mořské proudy také zodpovědné za distribuci plynů a chemických prvků, které jsou nezbytné pro život, jak jej známe - např. plynný kyslík, oxid uhličitý, metan atd. Tito jsou známí jako „biosignatury“, protože jsou pro život zde na Zemi zásadní nebo jsou spojeni s biologickými procesy.
Klíčovým slovem je však „jak to víme“. V současnosti Země zůstává jedinou známou obyvatelnou planetou a různé formy života, které podporuje, jsou jedinými příklady, které známe. Hledání života za hranicemi Země je proto v současné době omezeno na hledání biosignátů, které jsou nezbytné (a jsou spojeny se známými) životními formami. Tomu říkáme „nízko visící ovocný přístup“.
A co víc, Země se za posledních několik miliard let výrazně vyvinula, stejně jako formy života, které ji nazývají domovem. Zatímco v současné době je pro savčí tvory nezbytný kyslíkový plyn, byl by toxický pro fotosyntetické bakterie, které prospívaly převážně v atmosféře oxidu uhličitého a dusíku, které existovaly na Zemi před miliardami let.
Takže zatímco tento druh modelování nemůže s jistotou říci, zda je planeta osídlena, určitě to může pomoci zúžit vyhledávání tím, že se ukáže, kteří kandidáti jsou slibnými cíli pro následná pozorování. "I když naše práce nedokáže prozradit pozorovatelům, zda je nějaká planeta obyvatelná nebo ne, můžeme jim říci, zda je planeta plácnutím uprostřed dobrých kandidátů na další hledání," řekl Del Genio.
To bude zvláště užitečné v příštích letech, kdy se dalekohledy nové generace dostanou do vesmíru. Mezi ně patří kosmický dalekohled James Webb, který má být spuštěn v roce 2021, a kosmický dalekohled s širokým polem (WFIRST), který bude zahájen v roce 2023. Spolu s pozemními observatořími, jako je Extremely Large Telescope (ELT), tyto nástroje umožní vědcům přímo pozorovat menší planety poprvé.
Koronografy jako hvězdný stín také významně ovlivní utopením světla od hvězd, které jinak zakrývá světlo odrazené od atmosféry planety. Tento a další vývoj znamenají, že astronomové budou také schopni studovat atmosféru skalních exoplanet, což jim umožní s jistotou říci, které planety jsou „potenciálně obyvatelné“.
Nezapomeňte si prohlédnout tuto animaci toho, jak by mohlo vypadat klima Proximy b, s laskavým svolením týmu Del Genio a NASA Goddard Space Flight Center:
