Als een rotsachtige wereld zich in de bewoonbare zone van een zonachtige ster bevindt, ziet het er op papier goed uit. Vloeibaar water? Rekening. Juiste temperatuur? Rekening. Maar er is een addertje onder het gras. Als de planeet te klein is, kan hij niet de lucht vasthouden die hij nodig heeft om in leven te blijven.
Dus hoe klein is te klein? Kan de aarde gekrompen worden en toch haar ademende deken behouden?
Planetaire wetenschapper Michelle Hill van de Universiteit van Californië, Riverside, heeft onlangs simulaties uitgevoerd om dit te beantwoorden. De bevindingen zijn bot: een exoplaneet moet minstens zo groot zijn als Mars om een atmosfeer in stand te houden gedurende de paar miljard jaar die nodig zijn om leven wortel te laten schieten. Kleinere werelden hebben de neiging hun gas sneller te verliezen dan dat ze het kunnen vervangen.
De valstrik voor de bewoonbare zone
De bewoonbare zone is het belangrijkste onroerend goed voor buitenaards leven. Het is de smalle band rond een ster waar de temperatuur ervoor zorgt dat vloeibaar water zich op een oppervlak kan verzamelen. Het is ook een gevaarlijke buurt.
Nabijheid van een ster betekent blootstelling aan stellaire wind en intense straling. Deze krachten werken als schuurpapier op de atmosfeer van een planeet. Hoe dichter je bij de ster bent, hoe harder de wind waait. Hoe dunner je atmosfeer, hoe gemakkelijker het is om weg te strippen.
Hill en haar team simuleerden aardachtige planeten van verschillende groottes die in deze zones cirkelden. Ze wilden precies weten wanneer een planeet te klein wordt om die stellaire erosie te bestrijden.
Het antwoord?
Een planeet die de atmosfeer in stand houdt, moet gemiddeld ongeveer 80% zo breed zijn als de aarde. Theoretisch kunnen sommigen overleven op 60%, maar alleen onder specifieke, gelukkige omstandigheden. Voor astrobiologen die naar de ‘overvloed’ aan ontdekte exoplaneten staren, zijn deze gegevens een filter. Er is niet genoeg telescooptijd om elke kandidaat te controleren. Het beperken van de zoekopdracht is niet langer optioneel; het is essentieel.
Vulkanen versus wind
Het model van het team, het ‘Smaller Than Earth Habitability Model’, behandelt digitale planeten zoals de aarde. Dezelfde verhoudingen tussen kern, mantel en korst. Dezelfde chemische basislijn. Vervolgens hebben ze variabelen aangepast: meer koolstof, verschillende kerngroottes, verschillende starttemperaturen.
Gedurende miljarden jaren strijden twee krachten om de dominantie:
1. strippen: sterrenwind en straling blazen gas weg.
2. Aanvulling: Vulkanen pompen gas (meestal CO2) terug naar buiten.
Kleine planeten verliezen de strijd.
Ze hebben een zwakkere zwaartekracht. Hun magnetische velden zijn dunner en bieden minder bescherming tegen geladen deeltjes. Hun mantels koelen sneller af en worden sneller hard, waardoor de vulkanische motor vroegtijdig wordt uitgeschakeld. Wanneer de vulkanen stilvallen, heeft de atmosfeer geen reservevoorraad. Het verdwijnt.
Om een atmosfeer op de lange termijn te behouden, heeft een planeet over het algemeen een drempelwaarde van 80% van de aardradius nodig. Daaronder overtreffen de lekken de kranen.
De koolstof-wildcard
Het is niet allemaal onheil voor kleine werelden. Het model laat zien dat planeten zo klein als 0,6 aardstralen een atmosfeer kunnen behouden – als ze koolstofrijk zijn.
Kooldioxide is een zwaar molecuul. Het is voor stellaire wind moeilijker om zware moleculen weg te blazen dan lichtere. Een zuivere CO2-atmosfeer fungeert als een best-case scenario voor retentie.
Maar het is lastig om daar te komen. Deze kleine, koolstofrijke werelden hebben het volgende nodig:
* Grotere mantels ten opzichte van hun kernen.
* Hoger aantal radioactieve elementen om het interieur langer warm te houden.
* Een koelere startmantel.
Wacht, een koelere start helpt? Ja. Een oververhitte mantel barst onmiddellijk met geweld los, waarbij gas wordt uitgestoten dat door de gewelddadige uitbarstingen van een pasgeboren ster onmiddellijk wordt weggevaagd. Een koelere mantel houdt het tegen. Het wacht. Wanneer de ster tot rust komt en de uitbarstingen tot rust komen, laat de planeet eindelijk zijn gas vrij. Tegen die tijd is de omgeving stabiel genoeg om de atmosfeer te laten blijven hangen.
Leven op luchtloze werelden?
Betekent het verliezen van je eerste sfeer dat het spel voorbij is? Niet noodzakelijkerwijs.
Zelfs luchtloze planeten krijgen mogelijk een tweede kans. Inslagen van kometen en asteroïden kunnen vluchtige elementen zoals waterstof, zuurstof en koolstof opleveren, lang nadat de planeet is gevormd. Als deze inslagen later in het leven van een sterrensysteem plaatsvinden, kunnen ze vanaf het begin een nieuwe atmosfeer opbouwen.
“Terwijl kleinere planeten voor grotere uitdagingen staan… suggereert ons model dat ze atmosferen kunnen ontwikkelen”, schreef Hill.
Ze mogen niet onmiddellijk worden verdisconteerd. Een rotsachtige wereld ter grootte van Mars, die al een miljard jaar lang wordt geteisterd door inslagen, zou wel eens wakker kunnen worden met zijn tweede ademtocht.
Vooruitkijken
Het model wijst in de richting van nieuwe doelstellingen. Rode dwergen. Deze coole, kleine sterren vormen 75% van onze Melkweg. Sterren als TRAPPIST-1 herbergen meerdere rotsachtige werelden in de bewoonbare zone. Hun schemerigheid maakt het voor telescopen zoals JWST gemakkelijker om atmosferische filters te detecteren terwijl planeten passeren.
Toekomstige simulaties zullen ook kijken naar getijdegebonden planeten. Werelden waar één kant altijd naar de ster kijkt. Waar getijdenkrachten het binnenland seismisch actief houden, net zoals Jupiters maan Io.
De zoektocht naar buitenaards leven verandert. We zijn niet langer alleen op zoek naar aardse tweelingen. Wij zijn op zoek naar veerkrachtige overlevenden. De planeten ter grootte van Mars. De koolstofzware uitschieters. De luchtloze werelden wachten op de volgende grote hit.
Het universum is rommelig. Het leven heeft misschien geen podium ter grootte van de aarde nodig om een show op te zetten. Misschien heeft het net voldoende zwaartekracht nodig om te voorkomen dat het gordijn wegwaait.
