Astronomi znaju za oko 60 stenovitih egzoplaneta koje kruže u naseljivim zonama njihovih zvezda. Kada pokušavaju da utvrde koliko bi ove planete mogle da budu nastanjene, otkrivanje vode u njihovoj atmosferi igra ogromnu ulogu. Ali šta ako postoji drugi način merenja sadržaja vode u ovim svetovima?
Istraživači razvijaju način modeliranja ovih svetova kako bi utvrdili koliko vode imaju.
Naseljivost verovatno zahteva površinsku vodu, koliko možemo da kažemo. Ali otkrivanje površinske vode je skoro nemoguće. Sledeća najbolja stvar je da koristimo alate koje imamo — poput svemirskog teleskopa Džejms Veb — da otkrijemo i karakterišemo atmosferu egzoplaneta. Ali uprkos snazi JVST-a, on ne može da ispita svaku atmosferu egzoplaneta. Neki su van njegovog domašaja. Ali jedan tim istraživača koristi ono što znamo o egzoplanetama, zagrevanju plime i oseke i radiogenom zagrevanju kako bi pokušao da odredi koje egzoplanete mogu imati okeane, bilo na površini ili ispod površine.
Tim naučnika je ispitao listu stenovitih egzoplaneta u zonama pogodnim za stanovanje i koristio modeliranje kako bi utvrdio koliko je verovatno da imaju debeo, površinski ili podzemni sloj okeana. Oni su svoje rezultate objavili na serveru za pre-štampanje arKsiv u radu pod naslovom „Sadržaj vode u stenovitim egzoplanetama u zoni pogodnoj za život“. Glavni autor je Adam Boldog iz Opservatorije Konkoli i HUN-REN istraživačkog centra za astronomiju i nauke o Zemlji u Budimpešti, Mađarska.
Jedna od prepreka sa kojima se naučnici na egzoplanetama suočavaju je proliferacija M-patuljastih zvezda ili crvenih patuljaka. Polovina zvezda na Mlečnom putu možda su crveni patuljci, i tu smo pronašli većinu stenovitih planeta u zonama pogodnim za život. Ali crveni patuljci pokazuju značajno žarenje, a ponekad je to bljesak daleko snažnije od bilo čega što naše sunce proizvodi.
Pošto crveni patuljci nisu tako sjajni kao zvezde nalik suncu, njihove naseljive zone su mnogo bliže zvezdi. To znači da bi egzoplanete u njihovim naseljivim zonama mogle da izgube atmosferu zbog snažnog plamena crvenog patuljka. Jednom kada atmosfera nestane, površinska voda sigurno sledi.
U tim slučajevima, planeta bi i dalje mogla da podržava život, čak i bez atmosfere. Moguće je da stenovite planete u zonama nastanjivih crvenih patuljaka imaju puno tečne vode, samo ne na površini. Oni bi mogli više da liče na okeanske mesece našeg solarnog sistema, Evropu, Encelad i druge. Imaju dovoljno vode, u nekim slučajevima više od Zemlje. Ali oni nemaju površinsku vodu i imaju samo izuzetno slabu atmosferu. Atmosferska spektroskopija JVST-a ne može nam reći mnogo o ovim tipovima svetova i da li imaju okeane.
„Zbog toga je važno istražiti druge moguće načine proučavanja nastanjivosti egzoplaneta koji se ne oslanjaju na prisustvo atmosfere“, objašnjavaju autori.
„U ovoj studiji smo istraživali unutrašnjost stenovitih egzoplaneta kako bismo identifikovali one koje mogu imati velike količine vode“, pišu autori. „Modelirali smo unutrašnjost 28 stenovitih egzoplaneta, pretpostavljajući četiri različita sloja – gvozdeno jezgro, stenski omotač, sloj leda pod visokim pritiskom i površinski sloj leda/vode.“
Pored strukture planete, njen toplotni budžet igra veliku ulogu u sadržaju tečne vode. Postoje dva načina na koja planeta može da generiše toplotu. Jedna je radiogena toplota koja dolazi od radioaktivnog raspada izotopa uranijuma, torijuma i kalijuma u omotaču i kori planete. Drugi je zagrevanje plime, koje dolazi od trenja koje stvara orbita i rotacija planete. Istraživači su uključili verovatne količine oba u svoj model.
„Procenili smo verovatnoću prisustva debelog okeanskog sloja na ovim planetama, uzimajući u obzir efekat i plimnog i radiogenog zagrevanja“, objašnjavaju autori.
Neke od planeta u studiji su dobro poznate. Prokima Centauri b je najbliža egzoplaneta Zemlji, što je čini predmetom intenzivnih spekulacija i proučavanja. Planete TRAPPIST-1 dospele su na naslovne strane kada su otkrivene pre nekoliko godina. Drugi, uključujući TOI 700d, su intrigantne egzoplanete veličine Zemlje.
U svom modeliranju, istraživači su bazirali strukturu egzoplaneta na prethodnim radovima koji pokazuju da stenovite egzoplanete mogu imati gvozdeno jezgro, stenoviti omotač, sloj sastavljen od polimorfa leda pod visokim pritiskom (HPP) i površinski sloj leda/vode.
Na osnovu mase i radijusa svake planete, istraživači su odredili udeo mase vode za svaku od 28 planeta. Ovo je mera koliki deo mase svake planete čini voda. Modeliranjem je došlo do raspona udela mase vode za svaku planetu.
Ulazna masa i veličine za neke od planeta su izvesnije od drugih sa rezultujućim masenim frakcijama H 2 O koncentrisanim u relativno uskom opsegu, sa H 2 O masenim udelima koji pokazuju vrhunac u distribuciji sa najvećim verovatnoćama.
„Boja i brojevi označavaju udeo svih modelovanih enterijera koji su rezultirali unutrašnjim strukturama unutar određenog opsega masenog udela H2O“, objašnjavaju autori. „Ako je veliki broj enterijera imao visoke masene udeo H 2 O za datu planetu, to se pojavljuje kao pomeranje vrednosti i svetlijih boja na slici ka većim rasponima masenih udela.
Istraživači su otkrili da bi svih 28 planeta u njihovom uzorku moglo imati globalne ledene ili vodene površine. Nekima od njih nije ni potrebna atmosfera.
„Naši rezultati pokazuju da bi sve ove planete mogle imati dovoljno velike masene frakcije H2O da bi imale globalne površine leda/vode“, pišu istraživači. „Planete sa površinskim temperaturama iznad tačke topljenja leda i velikih frakcija vodene mase mogu imati globalne okeane bez obzira na prisustvo atmosfere.
Planete sa površinskom temperaturom ispod tačke topljenja i dalje bi mogle imati vodu, prema istraživanju, ali bi bila prekrivena ledom. „Ako je unutrašnji toplotni tok u ovim telima dovoljno visok da izazove topljenje u sloju HE, ovi svetovi mogu da sadrže podzemne rezervoare tečne vode“, objašnjavaju oni.
Među intrigantnim rezultatima studije su planete TRAPPIST-1. Pošto imamo tačnije podatke za njih od nekih od ostalih 28 planeta u studiji, istraživači kažu da je veća verovatnoća da će njihovi rezultati biti tačni. „Sve modelovane planete TRAPPIST-1 verovatno imaju proširene slojeve H 2 O“, objašnjavaju autori, dodajući da je potrebno utvrditi prirodu tih slojeva kako bi se procenila nastanjivost.
Neke od 28 planeta imaju toliko vode da mogu biti okeanske planete. U tim slučajevima, vodena para može da obezbedi dovoljan atmosferski pritisak za očuvanje površinskih okeana. „Naši rezultati sugerišu da bi Kepler-62 f, Kepler-452 b i Kepler-442 b mogli biti članovi svetske klase okeana.
Studija ima neke slabe tačke, na koje autori brzo ukazuju. Kao prvo, naše razumevanje radiogenog zagrevanja svetova u drugim solarnim sistemima zasniva se na generalizaciji iz našeg solarnog sistema. Moglo bi biti mnogo više ili daleko manje radiogenih elemenata na stenovitim planetama u drugim solarnim sistemima.
Plimno zagrevanje je slično neizvesno. „Vredi napomenuti da zagrevanje plime i oseke snažno zavisi od ekscentriciteta planetarne orbite, koja se menja tokom evolucije planete“, objašnjavaju autori. Planete na ekscentričnim orbitama doživljavaju zagrevanje plime i oseke. Ali planete blizu njihovih zvezda na kraju se kreću ka kružnim orbitama, što bi moglo eliminisati taj izvor toplote.
Ako su neki od ovih rezultata tačni, možda postoji više svetova sa podzemnim okeanima nego što mislimo. Ko zna? Možda je Zemlja ta čudna.
„Podpovršinski okeani mogu biti odlična mesta za razvoj života, iako je to možda teško uočiti sa našom trenutnom tehnologijom“, zaključuju autori.
Studije poput ove ne mogu zameniti direktno posmatranje, ali istorija pokazuje koliko su važne u prečišćavanju razmišljanja naučnika. Iako ne možemo dovoljno dobro da posmatramo ove planete da bismo sa sigurnošću utvrdili da li imaju okeane ili ne, naučnici barem mogu uzeti ono što znaju i raditi na odgovoru.
