Jak oprogramowanie do modelowania egzoplanet NASA symulowało warunki na Ziemi-Twin Proxima B

W zeszłym tygodniu Ziemia obudziła się na wiadomość, że ma bliźniaczą orbitę Proxima Centauri, czerwonego karła i najbliższego sąsiada Słońca, zaledwie 4,24 lat świetlnych od nas. Proxima b, jak nazywa się tę bliźniaczą planetę, jest nieco większa od Ziemi i okrąża swoją gwiazdę co 11 dni w odległości wynoszącej zaledwie 1/20 Ziemi od Słońca.

Ponieważ jednak Proxima Centauri świeci znacznie słabiej niż Słońce, Proxima b dobrze mieści się w tak zwanej strefie nadającej się do zamieszkania, w której na jej powierzchni może znajdować się woda w stanie ciekłym. Doprowadziło to do szczegółowych spekulacji na temat tego, jak może wyglądać powierzchnia Proximy b i jak prawdopodobne jest, że w tych warunkach może istnieć życie.

Ale NASA ma narzędzie do modelowania oprogramowania o nazwie VPlanet, które modeluje warunki na egzoplanetach w oparciu o to, co wiadomo o nich, ich gwieździe macierzystej i procesach ewolucji planet. Następnie VPlanet prognozuje możliwe warunki na powierzchni i przewiduje, czy planeta nadaje się do zamieszkania.

Dzisiaj Rory Barnes i jego koledzy z NASA Astrobiology Institute twierdzą, że pozwolili VPlanet przetworzyć dane zebrane o Proximie b. To pozwoliło im przewidzieć możliwe warunki na Proximie b.

VPlanet rozpoczyna od podzielenia problemu określania zamieszkiwania egzoplanet na dziewięć oddzielnych zadań, z których każde bada inny aspekt ewolucji planety. Na przykład jedno zadanie dotyczy ewolucji gwiazdy macierzystej, aby zobaczyć, jak zmiany jasności wpłynęłyby na przykład na bezpośrednie otoczenie planety. Inne spojrzenie na ruch tego systemu gwiezdnego przez galaktykę, szukając bliskich spotkań, które mogłyby mieć wpływ.

Jeszcze inny moduł bada transport ciepła z jądra planety na powierzchnię, aby zobaczyć, jak wpłynęłoby to na temperaturę na powierzchni. A inny symuluje sposób, w jaki atmosfera planety mogła uciec w kosmos i jak wiele z nich pozostało do dziś. I tak dalej.

Wyniki tego procesu modelowania stanowią ciekawą lekturę. Jednym ze sposobów przewidywania złożonych sytuacji jest wielokrotne przeprowadzanie symulacji, aby sprawdzić, czy zwykle trafiają one w to samo miejsce. VPlanet wykorzystuje tę technikę do modelowania wpływu przechodzących gwiazd na orbitę Proximy b poprzez losowy wybór rozsądnych parametrów orbity dla 10 000 różnych symulacji. W każdym przypadku zespół przerywał symulację, gdy orbita Proximy b stała się niestabilna.

Zdarzyło się to w około 15 procentach prób. To ważne, ponieważ tego rodzaju niestabilności miałyby ogromny wpływ na możliwość zamieszkania na planecie.

VPlanet doszedł również do wniosku, że jeśli Proxima b uformowała się w obecnej odległości od swojej gwiazdy, musi być zablokowana pływowo. Innymi słowy, nieustannie przedstawia tę samą twarz swojej gwieździe, tak jak księżyc na Ziemi. To sprawiłoby, że jedna strona planety byłaby gorąca, podczas gdy druga byłaby mroźna. To byłoby nieodpowiednie na całe życie.

Jest jednak zastrzeżenie. Jeśli atmosfera planety jest wystarczająco gęsta, aby skutecznie transportować ciepło wokół planety, temperatura byłaby znacznie bardziej przyjemna, a Proxima b mogłaby nadal nadawać się do zamieszkania, gdy byłaby zamknięta pływowo.

Oczywiście planeta mogła przemieścić się na swoją obecną odległość z innego miejsca, w którym to przypadku nie byłaby zablokowana pływowo.

Kolejnym istotnym problemem jest stan atmosfery Proximy b. W związku z tym VPlanet symuluje wiele potencjalnych scenariuszy, wychodząc z założenia, że ​​planeta rozpoczęła życie z obfitymi zasobami wody, kilka razy większymi niż na Ziemi. W takich warunkach VPlanet przewiduje, że większość wody rozpada się, a powstały wodór ucieka w kosmos. Zespół twierdzi, że jeśli Proxima b utworzyła się z mniej niż dziesięciokrotnie większą zawartością wody niż Ziemia i/lub miała ciągłą konwekcję, redukując ocean magmy, prawdopodobnie jest już dzisiaj wysuszona.

Istnieje inna możliwość – że Proxima b miała otoczkę wodorową, która ucieka w kosmos, jednocześnie zachowując wodę na powierzchni. W tym przypadku Proxima b nadawałaby się dzisiaj do zamieszkania, chociaż Barnes i spółka nie są w stanie określić, jak bardzo jest to prawdopodobne.

Krótko mówiąc, VPlanet sugeruje, że Proxima b może obecnie istnieć w wielu możliwych stanach, z których niektóre mogą podtrzymywać życie, a inne nie. Barnes i wsp. dochodzą do wniosku, że Proxima b może być podobna do Wenus, wysuszona, gorąca i niezdatna do życia; może być podobna do Neptuna, otoczona powłoką wodorową, która sprawiłaby, że powierzchnia byłaby zbyt gorąca, by nadawała się do zamieszkania.

VPlanet przewiduje również, że Proxima b może być tak bogata w tlen, że zapobiegłoby to ewolucji życia — tlen jest oczywiście bardzo reaktywny i jest silnym utleniaczem.

Ale najbardziej ekscytującą prognozą jest to, że Proxima b jest podobna do Ziemi z ciekłą wodą i atmosferą sprzyjającą życiu. W takim przypadku, powiedział Barnes i spółka, wyglądałby jak jasnofioletowa kropka, kiedy w końcu ją zaobserwujemy.

To trochę zaskakujące, biorąc pod uwagę, że jej gwiazdą macierzystą jest czerwony karzeł, ale nie różni się tak bardzo od ziemskiego wyglądu jak bladoniebieska kropka, gdyby ktokolwiek na Proximie b patrzył w ten sposób.

Oczywiście to, czego teraz potrzebują astrobiolodzy, to więcej danych. Proxima b z pewnością stanie się najczęściej badaną planetą poza naszym Układem Słonecznym. Następna generacja teleskopów kosmicznych rzuci na materię trochę tak potrzebnego światła. Zgromadzone przez nich dane pomogą zmniejszyć zakres możliwych trajektorii ewolucyjnych, jakie mogła obrać Proxima b.

Najważniejszym z tych obserwatoriów jest Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który ma wystartować w 2018 roku, oraz Wide Field Infrared Survey Telescope, który ma wystartować w połowie lat 20. XX wieku. Następna generacja teleskopów naziemnych, które będą miały ponad 30 metrów średnicy, również powinna być w stanie dostrzec bliźniaczkę Ziemi.

Instrumenty te będą w stanie wykonywać spektrograficzne przeglądy atmosfery Proximy b w poszukiwaniu śladów tlenu, metanu, dwutlenku węgla i wodoru. To może dać wskazówkę, czy panują tam warunki sprzyjające życiu. Pewnego dnia Ziemia może nawet obudzić się na wiadomość, że astronomowie wykryli błysk w oceanie — światło gwiazd odbijające się od wody morskiej podczas obrotu planety. Cóż to byłby za ekscytujący moment.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1608.06919 : Zamieszkalność Proxima Centauri b I: Scenariusze ewolucyjne; arxiv.org/abs/1608.08620 : Zamieszkalność Proxima Centauri b II: Stany środowiskowe i obserwacyjne czynniki dyskryminujące

ukryć