Когато става дума за търсене на светове, които биха могли да подкрепят извънземния живот, учените в момента разчитат на подхода на „ниско висящите плодове“. Тъй като ние знаем само за един набор от условия, при които животът може да процъфтява - т.е. това, което имаме тук на Земята - има смисъл да търсим светове, които имат същите тези условия. Те включват разположение в обитаема зона на звезда, стабилна атмосфера и способност да поддържат течна вода на повърхността.
Досега учените разчитаха на методи, които затрудняват откриването на водни пари в атмосферата на земните планети. Но благодарение на ново проучване, ръководено от Юка Фуджии от Института за космически изследвания (GISS) на НАСА, това може да е на път да се промени. Използвайки нов триизмерен модел, който отчита глобалните модели на разпространение, това проучване показва също, че обитаемите екзопланети може да са по-често срещани, отколкото сме мислили.
Изследването, озаглавено „NIR-задвижвани влажни горни атмосфери на синхронно въртящи се умерени земни екзопланети“, наскоро се появи в The Astrophysical Journal, Освен д-р Фуджий, който също е член на Института за наука за Земята-Живот в Токийския технологичен институт, изследователският екип включваше Антъни Д. Дел Женио (GISS) и Дейвид С. Амундсен (GISS и Колумбийския университет).
Казано по-просто, течната вода е от съществено значение за живота, какъвто го познаваме. Ако една планета няма достатъчно топла атмосфера, която да поддържа течна вода на повърхността си за достатъчно време (от порядъка на милиарди години), тогава е малко вероятно животът да може да възникне и да се развие. Ако една планета е твърде отдалечена от своята звезда, повърхностните й води ще замръзнат; ако е твърде близо, повърхностната му вода ще се изпари и ще се изгуби в пространството.
Докато водата е била открита в атмосферата на екзопланети преди, във всички случаи планетите са били масивни газови гиганти, които орбитали много близо до своите звезди. (известен още като „горещи юпитери“). Както заявяват Фуджи и нейните колеги в своето проучване:
„Въпреки че H2O подписите са открити в атмосферата на горещи Юпитери, откриването на молекулярни подписи, включително H2O, на умерени земни планети е изключително предизвикателно поради малкия планетен радиус и малката височина на скалата (поради по-ниската температура и вероятно по-голямата средна стойност) молекулно тегло)."
Когато става въпрос за сухоземни (т.е. скални) екзопланети, предишните проучвания бяха принудени да разчитат на едномерни модели, за да изчислят наличието на вода. Това се състоеше в измерването на водородните загуби, при което водната пара в стратосферата се разгражда на водород и кислород от излагане на ултравиолетово лъчение. Чрез измерване на скоростта, с която водородът се губи в космоса, учените биха преценили количеството течна вода, която все още присъства на повърхността.
Както обясняват д-р Фуджии и нейните колеги, подобни модели разчитат на няколко предположения, които не могат да бъдат разгледани, включително глобалния транспорт на топлина и водни пари, както и ефектите на облаците. По принцип предишните модели предвиждаха, че за да достигнат водната пара до стратосферата, дългосрочните повърхностни температури на тези екзопланети ще трябва да бъдат с над 66 ° C (150 ° F) по-високи от тези, които преживяваме тук на Земята.
Тези температури могат да създадат мощни конвективни бури на повърхността. Тези бури обаче не биха могли да са причината водата да достигне стратосферата, когато става дума за бавно въртящи се планети, влизащи във влажно оранжерийно състояние - където водната пара засилва топлината. Известно е, че планетите, които орбитат близо до родителските си звезди, или имат бавно въртене, или са с фиксирано заключване със своите планети, което прави конвективните бури малко вероятно.
Това се случва доста често при земните планети, които са разположени около нискомаслени, ултра готини, тип M (червено джудже). За тези планети близостта им до тяхната звезда-домакин означава, че гравитационното влияние ще бъде достатъчно силно, за да забави или напълно да спре тяхното въртене. Когато това се случи, в деня на планетата се образуват гъсти облаци, които го предпазват от голяма част от светлината на звездата.
Екипът откри, че макар това да поддържа хладнокръвен ден и да предотврати покачване на водната пара, количеството на близко инфрачервено лъчение (NIR) може да осигури достатъчно топлина, за да накара планетата да навлезе във влажно парниково състояние. Това е особено вярно за звездите от тип М и други готини звезди джуджета, за които е известно, че произвеждат повече по пътя на NIR. Докато тази радиация затопля облаците, водната пара ще се издигне в стратосферата.
За да се справят с това, Fujii и нейният екип разчитаха на триизмерни модели на обща циркулация (GCM), които включват атмосферна циркулация и хетерогенност на климата. В името на своя модел екипът започна с планета, която имаше атмосфера на Земята и беше изцяло покрита от океани. Това позволи на екипа ясно да види как отклоненията в разстоянието от различни видове звезди биха повлияли на условията върху повърхностите на планетите.
Тези предположения позволиха на екипа ясно да види как промяната на орбиталното разстояние и вида на звездното лъчение влияе върху количеството водна пара в стратосферата. Както д-р Фуджи обясни в прессъобщението на НАСА:
„Използвайки модел, който по-реалистично симулира атмосферните условия, открихме нов процес, който контролира обитаемостта на екзопланетите и ще ни насочи при идентифицирането на кандидатите за по-нататъшно изследване… Открихме важна роля за вида на излъчване, което звезда излъчва и ефекта, който има атмосферната циркулация на екзопланета за създаване на влажно оранжерийно състояние. "
В крайна сметка новият модел на екипа демонстрира, че тъй като звездата с ниска маса излъчва по-голямата част от светлината си при дължини на вълните на NIR, влажно оранжерийно състояние ще доведе до планетите около тях. Това би довело до условия на техните повърхности, които са сравними с това, което Земята изпитва в тропиците, където условията са горещи и влажни, вместо горещи и сухи.
Нещо повече, техният модел посочи, че управляваните от NIR процеси постепенно увеличават влагата в стратосферата до степен, че екзопланетите, орбитиращи по-близо до своите звезди, могат да останат обитаеми. Този нов подход за оценка на потенциалната обитаемост ще позволи на астрономите да симулират циркулацията на планетарните атмосфери и особеностите на тази циркулация, което е едномерни модели.
В бъдеще екипът планира да оцени как вариантите в планетарните характеристики - каквито са гравитацията, размерите, атмосферният състав и повърхностното налягане - могат да повлияят на циркулацията на водната пара и обитаемостта. Това, заедно с техния триизмерен модел, който взема предвид моделите на планетарно циркулация, ще позволи на астрономите да определят потенциалната обитаемост на далечни планети с по-голяма точност. Както посочи Антъни Дел Жанио:
„Докато знаем температурата на звездата, можем да преценим дали планетите в близост до техните звезди имат потенциал да бъдат във влажно оранжерийно състояние. Настоящата технология ще бъде изтласкана до краен предел за откриване на малки количества водна пара в атмосферата на екзопланета. Ако има достатъчно вода за откриване, това вероятно означава, че планетата е в състояние на влажна оранжерия. "
Освен, че предлага на астрономите по-всеобхватен метод за определяне на обитаемостта на екзопланети, това проучване е и добра новина за ловачите на екзопланети, които се надяват да намерят обитаеми планети около звезди от тип М. Звездите с ниска маса, ултра-хладни, тип М са най-често срещаната звезда във Вселената, съставляваща приблизително 75% от всички звезди в Млечния път. Знанието, че те биха могли да поддържат обитаеми екзопланети, значително увеличава шансовете за намиране на такава.
В допълнение, това проучване е МНОГО добра новина, като се има предвид неотдавнашното проучване, което хвърли сериозно съмнение върху способността на звездите от тип М да приемат обитаеми планети. Това изследване е проведено в отговор на многото земни планети, които бяха открити около близките червени джуджета през последните години. Това, което разкриха, беше, че като цяло звездите на червените джуджета изпитват твърде много пламъци и могат да съблекат съответните планети от атмосферата си.
Те включват 7-планетна система TRAPPIST-1 (три от които са разположени в обитаемата зона на звездата) и най-близката екзопланета до Слънчевата система, Proxima b. Чистият брой планети, подобни на Земята, открити около звезди от тип М, в съчетание с този клас естествено дълголетие на звездата, накара мнозина от астрофизичната общност да се осмеляват, че звездите на червените джуджета могат да бъдат най-вероятното място за намиране на обитаеми екзопланети.
С това последно проучване, което показва, че тези планети биха могли да бъдат обитаеми в края на краищата, изглежда, че топката ефективно се връща в техния съд!
