כשמדובר בחיפוש אחר עולמות שיכולים לתמוך בחיים חוץ-ארציים, כיום מדענים מסתמכים על גישת "הפירות הנמוכים". מכיוון שאנו מכירים רק קבוצה אחת של תנאים שבהם החיים יכולים לשגשג - כלומר מה שיש לנו כאן על כדור הארץ - הגיוני לחפש עולמות שיש אותם תנאים. אלה כוללים הימצאות בתוך אזור מגורים של כוכב, אווירה יציבה ויכולת לשמור על מים נוזליים על פני השטח.
עד כה, מדענים הסתמכו על שיטות המקשות מאוד על גילוי אדי מים באטמוספירה של כוכבי לכת יבשתיים. אך בזכות מחקר חדש שהוביל יוקה פוג'יי ממכון גודארד ללימודי חלל (NAS) של נאס"א, יתכן שהוא עומד להשתנות. באמצעות מודל תלת ממדי חדש המביא בחשבון דפוסי זרימה גלובלית, מחקר זה מצביע גם על כך שאקסופלאנטים למגורים עשויים להיות נפוצים יותר ממה שחשבנו.
המחקר, שכותרתו "אטמוספרות עליונות לחות על ידי NIR בסינכרוני של סיבוב טמפרטורות יבשתיות ממוזגות", הופיע לאחרונה ב כתב העת האסטרופיזי. בנוסף לד"ר פוג'יי, שהוא גם חבר במכון למדעי כדור הארץ במכון הטכנולוגי בטוקיו, צוות המחקר כלל את אנתוני ד. דל ג'ניו (GISS) ודוד ס. אמונדסן (GISS ואוניברסיטת קולומביה).
במילים פשוטות, מים נוזלים הם חיוניים לחיים כפי שאנו מכירים אותם. אם אין לכוכב לכת אטמוספירה חמה מספיק כדי לשמור על מים נוזליים על פני השטח למשך זמן מספיק (בסדר גודל של מיליארדי שנים), אין זה סביר שהחיים יוכלו לצמוח ולהתפתח. אם כוכב לכת רחוק מדי מכוכבו, מי השטח שלו יקפאו; אם הוא קרוב מדי, מי השטח שלו יתאדו ויאבדו לחלל.
בעוד שכבר התגלו מים באטמוספרות של Exoplanets לפני כן, בכל המקרים, כוכבי הלכת היו ענקי גז מסיביים שקיוו מקרוב מאוד לכוכביהם. (המכונה "צדקנים חמים"). כפי שפוג'יי ועמיתיה קובעים במחקרם:
"אף על פי שאותרו חתימות H2O באטמוספרות של צדקנים חמים, איתור חתימות מולקולריות, כולל H2O, על כוכבי לכת יבשתיים ממוזגים הוא מאתגר ביותר, בגלל הרדיוס הפלנטרי הקטן והגובה בקנה מידה קטן (בגלל הטמפרטורה הנמוכה וככל הנראה הממוצע הגבוה יותר משקל מולקולרי)."
כשמדובר במוצי-חוץ יבשתיים (כלומר סלעיים), מחקרים קודמים נאלצו להסתמך על מודלים חד-ממדיים כדי לחשב את נוכחותם של מים. זה כלל מדידת אובדן מימן, שם אדי מים בסטרטוספרה מתפרקים למימן וחמצן מחשיפה לקרינה אולטרה סגולה. על ידי מדידת הקצב בו אבדה מימן לחלל, המדענים מעריכים את כמות המים הנוזלים שעדיין קיימים על פני השטח.
עם זאת, כפי שמסבירים ד"ר פוג'י ועמיתיה, מודלים כאלה מסתמכים על מספר הנחות שלא ניתן לטפל בהן, הכוללות תחבורה עולמית של אדי אדי מים, כמו גם את השפעות העננים. בעיקרון, דגמים קודמים חזו שכדי שאדי מים יגיעו לסטרטוספרה, טמפרטורות השטח לטווח הארוך על גבי exoplanets אלה יצטרכו להיות גבוהות יותר מ- 66 ° C (150 ° F) ממה שאנחנו חווים כאן על כדור הארץ.
טמפרטורות אלה עלולות ליצור סערות עוצמה חזקות על פני השטח. עם זאת, סופות אלה לא יכולות להיות הסיבה לכך שמים מגיעים לסטרטוספרה כשמדובר בכוכבי לכת מסתובבים באטיות לחדור לחממה לחה - שם אדי המים מעצימה את החום. כוכבי לכת המסתובבים מקרוב לכוכבי האב שלהם ידועים כמי שיש להם סיבוב איטי או שהם נעולים בצורה נאותה עם כוכבי הלכת שלהם, ובכך לא סביר שסערות משכנעות.
זה מתרחש לעיתים קרובות למדי עבור כוכבי לכת יבשתיים הנמצאים סביב כוכבים נמוכים, קרירים במיוחד מסוג M (גמד אדום). עבור כוכבי לכת אלה, קרבתם לכוכב המארח שלהם אומרת שההשפעה הכבדית שלה תהיה מספיק חזקה כדי להאט או לעצור לחלוטין את הסיבוב שלהם. כאשר זה מתרחש, נוצרים עננים עבים על פני כדור הארץ, ומגנים עליו מפני הרבה מאור הכוכב.
הצוות מצא כי אמנם הדבר עלול לשמור על קירור של יום הימנע ולמנוע עליית אדי מים, אך כמות הקרינה הקרובה לאינפרא אדום (NIR) עשויה לספק מספיק חום בכדי לגרום לכוכב לכת להיכנס למצב חממה לח. זה נכון במיוחד לגבי סוג M וכוכבי ננס מגניבים אחרים, שידועים כמפיקים יותר בדרך של NIR. כאשר קרינה זו מחממת את העננים, אדי מים יעלו אל תוך הסטרטוספרה.
כדי לטפל בכך, פוג'י וצוותה הסתמכו על מודלים של מחזור כללי תלת מימדי (GCMs) הכוללים זרימת אטמוספריות והטרוגניות אקלימית. לצורך המודל שלהם, הצוות התחיל בכוכב לכת שיש בו אווירה דמויי כדור הארץ והיה מכוסה כולו על ידי אוקיינוסים. זה איפשר לצוות לראות בבירור כיצד וריאציות במרחק מסוגי כוכבים שונים ישפיעו על התנאים על משטחי כוכבי הלכת.
הנחות אלה אפשרו לצוות לראות בבירור כיצד שינוי המרחק המסלול וסוג הקרינה הכוכבית השפיעו על כמות אדי המים בסטרטוספרה. כפי שהסביר ד"ר פוג'י בהודעה לעיתונות של נאס"א:
"בעזרת מודל המדמה ריאליסטיות יותר את התנאים האטמוספריים, גילינו תהליך חדש השולט על יכולת ההשכחה של exoplanets ויידריך אותנו בזיהוי המועמדים להמשך המחקר ... מצאנו תפקיד חשוב לסוג הקרינה שכוכב פולט והשפעה עליו יש את זרימת הדם האטמוספרית של אקסופלאנט בהופכת מצב החממה הלח. "
בסופו של דבר, הדגם החדש של הצוות הדגים כי מכיוון שכוכב בעל מסה נמוכה פולט את עיקר אורם באורכי הגל של NIR, תיווצר מצב של חממה לחה בכוכבי הלכת המסתובבים קרוב אליהם. זה יביא לתנאים על פני השטח שלהם בהשוואה למה שחווה כדור הארץ באזורים הטרופיים, שבהם התנאים חמים ולחים, במקום חם ויבש.
יתרה מזאת, המודל שלהם הצביע על כך שתהליכים מונעי NIR הגבירו את הלחות בסטרטוספרה בהדרגה, עד כדי כך שאקסופלנטים המקיפים את הכוכבים שלהם יכולים להישאר ראויים למגורים. גישה חדשה זו להערכת יכולת ההרגל האפשרית תאפשר לאסטרונומים לדמות את זרימת האטמוספרה הפלנטרית ואת התכונות המיוחדות של אותה זרימה, וזה דבר שדגמים חד מימדיים אינם יכולים לעשות.
בעתיד הצוות מתכנן להעריך כיצד וריאציות בתכונות הפלנטאריות - כמו כוח המשיכה, הגודל, ההרכב האטמוספירה ולחץ פני השטח - עלולות להשפיע על זרימת אדי המים ועל יכולת ההימור שלה. זה, יחד עם המודל התלת מימדי שלהם שלוקח בחשבון דפוסי זרימה פלנטריים, יאפשרו לאסטרונומים לקבוע את יכולת ההרגל הפוטנציאלית של כוכבי לכת רחוקים בדיוק רב יותר. כפי שציין אנתוני דל ג'ניו:
"כל עוד אנו יודעים את הטמפרטורה של הכוכב, אנו יכולים להעריך אם לכוכבי לכת קרובים לכוכבים שלהם יש פוטנציאל להיות במצב החממה הלח. הטכנולוגיה העכשווית תידחף עד גבול האיתור בכמויות קטנות של אדי מים באטמוספירה של צמח. אם יש מספיק מים לזיהוי, זה כנראה אומר שכוכב הלכת נמצא במצב החממה הלח. "
מעבר להציע לאסטרונומים שיטה מקיפה יותר לקביעת יכולת הרגל של אקסופlanet, המחקר הזה הוא גם חדשות טובות עבור ציידי אקסופלאנט בתקווה למצוא כוכבי לכת ראויים למגורים סביב כוכבים מסוג M. כוכבים בעלי מעמד נמוך ומגניב במיוחד מסוג M הם הכוכב הנפוץ ביותר ביקום, ומהווים בערך 75% מכלל הכוכבים שביל החלב. הידיעה שהם יכולים לתמוך באקספלנטים ראויים למגדלים מגדילה מאוד את הסיכוי למצוא אחד כזה.
בנוסף, מחקר זה הוא חדשות טובות מאוד בהתחשב במרחבי המחקר האחרונים שהטילו ספק רציני ביכולתם של כוכבים מסוג M לארח כוכבי לכת ראויים למגורים. מחקר זה נערך בתגובה לכוכבי הלכת הארציים הרבים שהתגלו סביב הגמדים האדומים הסמוכים בשנים האחרונות. מה שהם חשפו הוא שבאופן כללי, כוכבי גמדים אדומים חווים התלקחות רבה מדי ויכולים להפשיט את כוכבי הלכת שלהם בהתאמה לאווירה.
אלה כוללים מערכת TRAPPIST-1 בעלת 7 כוכבי לכת (שלושה מהם נמצאים באזור המגורים של הכוכב) ואת האקסופלאנאט הקרוב ביותר למערכת השמש, פרוקסימה ב. המספר העצום של כוכבי לכת דמוי אדמה שהתגלו סביב כוכבים מסוג M, בשילוב עם סוג זה של אורך החיים הטבעי של הכוכב, הביא רבים בקהילה האסטרופיזית להסתכן שכוכבי ננס אדומים עשויים להיות המקום הסביר ביותר למצוא exoplanets למגורים.
עם המחקר האחרון הזה, שמצביע על כך שכוכבי הלכת הללו עשויים להיות בעלי חיים בסך הכל, נראה שהכדור נמצא שוב במגרש שלהם!
