Jeśli skalista planeta znajduje się w ekosferze gwiazdy podobnej do Słońca, wszystko wygląda idealnie. Woda w stanie ciekłym? Zaznaczenie. Prawidłowa temperatura? Zaznaczenie. Ale jest pewien haczyk. Jeśli planeta jest zbyt mała, nie będzie w stanie utrzymać powietrza potrzebnego do podtrzymania życia.
Jak więc może być mały? Czy można zmniejszyć Ziemię, zachowując jej oddychającą skorupę?
Michelle Hill, planetolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside, przeprowadziła niedawno symulacje, aby odpowiedzieć na to pytanie. Wnioski były bezlitosne: egzoplaneta musi być co najmniej wielkości Marsa, aby utrzymać atmosferę przez kilka miliardów lat niezbędnych do powstania życia. Mniejsze światy tracą gaz szybciej, niż są w stanie go uzupełnić.
Pułapka w strefie mieszkalnej
Strefa mieszkalna to idealna nieruchomość dla życia pozaziemskiego. Jest to wąskie pasmo wokół gwiazdy, w którym temperatury pozwalają na gromadzenie się wody na powierzchni w stanie ciekłym. To także niebezpieczny obszar.
Bliskość gwiazdy oznacza narażenie na wiatry gwiazdowe i intensywne promieniowanie. Siły te działają na atmosferę planety jak papier ścierny. Im bliżej gwiazdy jesteś, tym silniejszy jest wiatr. Im rzadsza atmosfera, tym łatwiej zostanie zdmuchnięta.
Hill i jej zespół symulowali planety podobne do Ziemi o różnych rozmiarach, krążące w tych strefach. Chcieli określić, kiedy planeta staje się zbyt mała, aby wytrzymać taką erozję gwiazdową.
Odpowiedź?
Planeta zdolna do utrzymania atmosfery musiałaby mieć średnio 80% szerokości Ziemi. Teoretycznie niektórzy mogą przetrwać na poziomie 60%, ale tylko pod pewnymi, szczęśliwymi warunkami. Dla astrobiologów badających „wiele” odkrytych egzoplanet dane te służą jako filtr. W teleskopach nie ma wystarczająco dużo czasu, aby przetestować każdego kandydata. Zawężanie poszukiwań stało się nie tylko pożądane, ale wręcz niezbędne.
Wulkany pod wiatr
Model zespołu, nazwany modelem zamieszkiwania planet mniejszych od Ziemi, traktuje planety cyfrowe jak Ziemię. Te same proporcje rdzenia, płaszcza i skorupy. Ta sama baza chemiczna. Następnie zmienili zmienne: więcej węgla, różne rozmiary rdzenia, różne temperatury początkowe.
Od miliardów lat o dominację walczą dwie siły:
- Przedmuch: Wiatr gwiazdowy i promieniowanie wydmuchują gaz.
- Uzupełnianie: Wulkany uwalniają gaz (głównie CO₂) z powrotem.
Małe planety przegrywają tę bitwę.
Mają słabszą grawitację. Ich pola magnetyczne są cieńsze i zapewniają gorszą ochronę przed naładowanymi cząsteczkami. Ich płaszcze schładzają się i twardnieją szybciej, co powoduje wcześniejsze zatrzymanie silnika wulkanicznego. Kiedy wulkany cichną, atmosfera nie ma zapasowego źródła. Ona znika.
Aby utrzymać atmosferę w dłuższej perspektywie, planeta zazwyczaj potrzebuje progu wynoszącego 80% promienia Ziemi. Poniżej tego limitu wyciek przekracza zdolność uzupełniania.
Zmienna węgla
Nie jest to jeszcze całkowity wyrok śmierci dla małych światów. Model pokazuje, że planety o promieniu do 0,6 promienia Ziemi mogą utrzymać atmosferę, jeśli są bogate w węgiel.
Dwutlenek węgla jest ciężką cząsteczką. Wiatr gwiazdowy trudniej przenosi ciężkie cząsteczki niż lekkie. Czysta atmosfera CO₂ stwarza najlepsze warunki do retencji.
Ale osiągnięcie tego jest trudne. Takie małe, bogate w węgiel światy potrzebują:
- Większe płaszcze w stosunku do ich rdzeni.
- Wyższa zawartość pierwiastków radioaktywnych w celu dłuższego utrzymania temperatury wnętrza.
- Początkowy chłodniejszy płaszcz.
Czekaj, czy zimny start pomaga? Tak. Przegrzany płaszcz wybucha gwałtownie na raz, uwalniając gaz, który jest natychmiast usuwany przez rozbłyski nowonarodzonej gwiazdy. Chłodniejszy płaszcz jest odsunięty. Ona czeka. Kiedy gwiazda się uspokoi i jej rozbłyski ustaną, planeta w końcu uwolni swój gaz. W tym momencie środowisko jest wystarczająco stabilne, aby atmosfera mogła się utrzymać.
Życie na światach bez atmosfery?
Czy utrata pierwszej atmosfery oznacza koniec gry? Nie koniecznie.
Nawet diabeł może dać planetom atmosferycznym drugą szansę. Uderzenia komet i asteroid mogą dostarczyć lotne pierwiastki, takie jak wodór, tlen i węgiel, jeszcze długo po powstaniu planety. Jeśli te uderzenia wystąpią w późniejszym okresie życia układu gwiezdnego, mogą stworzyć od zera nową atmosferę.
„Chociaż mniejsze planety stoją przed większymi wyzwaniami… nasz model sugeruje, że mogą wytworzyć się na nich atmosfery” – napisał Hill.
Nie należy ich od razu spisywać na straty. Skalisty świat wielkości Marsa, niszczony uderzeniami przez miliard lat, może właśnie budzi się na drugi oddech powietrza.
Patrzę w przyszłość
Model wskazuje na nowe cele. Czerwone karły. Te chłodne, małe gwiazdy stanowią 75% naszej galaktyki. Gwiazdy takie jak TRAPPIST-1 mają w swojej ekosferze kilka skalistych światów. Ich półmrok ułatwia teleskopom takim jak JWST wykrywanie filtrów atmosferycznych podczas tranzytów planet.
Przyszłe symulacje będą również badać planety zblokowane pływowo. Światy, w których jedna strona zawsze jest zwrócona w stronę gwiazdy. Gdzie siły pływowe wspierają wewnętrzną aktywność sejsmiczną, podobnie jak na księżycu Jowisza Io.
Poszukiwania życia pozaziemskiego zmieniają się. Nie szukamy już tylko ziemskich bliźniaków. Poszukujemy odpornych ocalałych. Planety wielkości Marsa. Węglowi słabsi. Światy bez atmosfery, czekające na kolejne wielkie uderzenie.
Wszechświat jest brudny. Życie może nie potrzebować sceny wielkości Ziemi, aby dać występ. Być może potrzebuje wystarczającej grawitacji, aby zapobiec rozwiewaniu kurtyny.
