Exoplaneten kunnen geheimen onthullen over de grens van bewoonbaarheid

Hoe dicht kan een rotsachtige exoplaneet bij een ster zijn en toch water en leven in stand houden?

Een recent ontdekte exoplaneet kan de sleutel zijn tot het oplossen van dat mysterie, door belangrijke inzichten te verschaffen over de omstandigheden aan de binnenrand van de bewoonbare zone van een ster en waarom de aarde en Venus zich zo verschillend ontwikkelden, volgens nieuw onderzoek onder leiding van Lisa Kaltenegger, directeur van het Carl Sagan Institute. en universitair hoofddocent astronomie aan het College of Arts and Sciences (A&S).

Het team van Kaltenegger ontdekte dat de "superaarde" exoplaneet LP 890-9c (ook SPECULOOS-2c genoemd), die dicht bij de binnenste rand van de bewoonbare zone van zijn zonnestelsel draait, er heel anders uit zou zien, afhankelijk van of hij nog steeds warme oceanen had, een dampatmosfeer of als het zijn water had verloren, ervan uitgaande dat het ooit oceanen had zoals die van de aarde.

Bij de foto: Een artistieke weergave van de potentiële evolutie van de exoplaneet LP 890-9c van een hete aarde naar een uitgedroogde Venus. Afbeelding: Carl Sagan Instituut/R. Payne

"Als we naar deze planeet kijken, zullen we zien wat er gebeurt aan de binnenrand van de bewoonbare zone - hoe lang een rotsachtige planeet bewoonbaar kan blijven als hij heet begint te worden," zei Kaltenegger.

"Het zal ons iets fundamenteels leren over hoe rotsachtige planeten evolueren met toenemend sterrenlicht en over wat er op een dag met ons en de aarde zal gebeuren."

Bij de foto: Deze artistieke visualisatie laat zien hoe een bewoonbare wereld buiten ons zonnestelsel eruit kan zien. Afbeelding: ChadoNihi via Pixabay, gratis licentie

Kaltenegger is de hoofdauteur van 'Hot Earth or Young Venus? A Near Transiting Rocky Planet Mystery”, gepubliceerd op 21 juni in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.

Co-auteurs zijn Rebecca Payne, onderzoeksmedewerker bij de afdeling Sterrenkunde (A&S); Zifan Lin '20, promovendus aan het Massachusetts Institute of Technology; James Kasting, emeritus hoogleraar aan de Pennsylvania State University; en Laetitia Delrez, postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Luik in België, die een internationaal team leidde dat de ontdekking van LP 890-9c in september 2022 rapporteerde.

Een begeleidend artikel onder leiding van Jonathan Gomez Barrientos '22, een afgestudeerde student aan het California Institute of Technology, toont aan dat NASA's James Webb Space Telescope (JWST) onderscheid kon maken tussen de mogelijke verschillende atmosferen van de exoplaneet, waardoor het een belangrijk doelwit werd voor dit observatorium.

Kaltenegger is een co-auteur met Ryan J. MacDonald, een voormalig onderzoeksmedewerker bij Cornell en nu een NASA Sagan Fellow aan de Universiteit van Michigan, van "A Venus in the Making? Voorspellingen voor JWST-waarnemingen van de Ultracool M-Dwarf Planet LP 890-9c.”

Bij de foto: Dit diagram toont een reeks potentieel bewoonbare zones, afhankelijk van de oppervlaktetemperatuur van de moederster. Afbeelding: Chester Harman via Wikimedia, CC BY-SA 4.0

LP 890-9c is een van de twee superaardes die rond een rode dwergster draaien die zich op 100 lichtjaar van de aarde bevindt, zo maakte het Delrez-team, waar Kaltenegger deel van uitmaakte, vorig jaar bekend. (NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite had eerder LP 890-9b geïdentificeerd). Ze zeiden dat vloeibaar water of een atmosfeer rijk aan waterdamp mogelijk was op LP 890-9c, die ongeveer 40% groter is dan de aarde en in 8,5 dagen rond de kleine, koele ster cirkelt.

Die criteria suggereerden dat het een van de beste doelen voor JWST was om te bestuderen tussen de bekende, potentieel bewoonbare terrestrische planeten, naast het TRAPPIST-1-systeem.

"Professor Kaltenegger en ik dachten dat deze exoplaneet een uitstekend doelwit zou kunnen zijn voor JWST," zei Barrientos, "maar nu hebben we deze hypothese bewezen, en dat LP 890-9c mogelijk zou kunnen onthullen of leven op de rand mogelijk is - de binnenste rand van de bewoonbare zone.”

De modellen van haar team zijn de eerste die verschillen beschrijven in de chemische kenmerken die worden gegenereerd door rotsachtige exoplaneten nabij de binnengrens van de bewoonbare zone, op basis van variabelen zoals de grootte van de planeet, massa, chemische samenstelling, oppervlaktetemperatuur en -druk, atmosferische hoogte en bewolking. De berekeningen waren essentieel om te schatten hoeveel tijd JWST nodig zou hebben om de basissamenstelling van een atmosfeer te bevestigen - als die er is.

De modellen omvatten verschillende scenario's waarvan wordt aangenomen dat ze stadia van de evolutie van rotsachtige planeten weerspiegelen, variërend van een "hete aarde" waar nog leven mogelijk is, tot een desolate Venus met een koolstofdioxide-atmosfeer. Tussendoor zijn er fasen die de aarde naar verwachting zal doormaken naarmate de zon met het ouder worden helderder en heter wordt, waardoor de oceanen geleidelijk verdampen en de atmosfeer met stoom vullen voordat ze volledig verdampen.

Hoe lang die processen kunnen duren, is onbekend, en de astronomen zeggen dat LP 890-9c een zeldzame kans biedt om die evolutie te onderzoeken.

"Deze planeet is het eerste doelwit waarop we deze verschillende scenario's kunnen testen", zei Kaltenegger. "Als het nog steeds een hetere aarde is - heet, maar met vloeibaar water en levensomstandigheden - dan zou de binnenrand van de bewoonbare zone kunnen wemelen van het leven. Als we zien dat het al een volwaardige Venus is, dan kan water sneller verloren gaan dan we verwachten.”

In het begeleidende artikel stellen Kaltenegger en collega's dat JWST de aanwezigheid van een atmosfeer - en of het voornamelijk waterdamp is - zou kunnen bevestigen in slechts drie transits of passages van de planeet langs zijn moederster. Als verdere observatie gerechtvaardigd is, schatten ze dat in totaal acht transits een Venusachtige atmosfeer zouden kunnen detecteren, terwijl 20 transits bewijs zouden kunnen vinden van een potentieel bewoonbaar "hete aarde" -scenario.

Het is mogelijk dat LP 890-9c geen atmosfeer heeft en geen leven herbergt, of dat het lijkt op een Venus met dikke wolken die het reflecteren van licht zouden blokkeren en dus weinig informatie zouden opleveren. Dieper onderzoek belooft waardevolle aanwijzingen te geven, zei Kaltenegger.

"We weten niet hoe deze planeet op de rand van bewoonbaarheid eruit zou kunnen zien, dus we moeten kijken", zei ze. "Dit is waar echte verkenning over gaat."

Vertaling: Jan Vyvey
Bron: Cornell University