45 najbardziej obiecujących egzoplanet, na których może istnieć życie

W kosmicznym tłumie ponad 6 tysięcy znanych egzoplanet astronomowie wskazali zaledwie 45 skalistych globów, które szczególnie przyciągają ich uwagę.

To niewielka elita spośród niezliczonych planet krążących wokół innych gwiazd. Według badaczy właśnie tam mamy dziś największą szansę, by w danych z teleskopów dostrzec ślady chemii sprzyjającej życiu, a może nawet oznaki aktywnej biosfery.

Nowy katalog „najlepszych” obcych światów

Zespół kierowany przez Lisę Kaltenegger z Instytutu Carla Sagana na Uniwersytecie Cornella przeanalizował ogromny zestaw danych z misji Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej. Z ponad 6 tysięcy znanych egzoplanet wybrano tylko światy o skalistej budowie, podobne pod tym względem do Ziemi, Wenus czy Marsa.

Tak powstał katalog 45 planet, które łączą dwie cechy: są skaliste i krążą w takim pasie wokół swoich gwiazd, gdzie na powierzchni może utrzymywać się ciekła woda. Dla bardziej wyśrubowanych założeń z listy pozostaje już tylko 24 kandydatów – to planety mieszczące się w jeszcze ciaśniej zdefiniowanym obszarze sprzyjającym życiu.

Największą wartością tej pracy jest nie tyle sama liczba planet, ile to, że z chaotycznej listy tysięcy obiektów powstaje konkretny „krótki spis” najciekawszych celów do obserwacji.

W czasach, gdy dostęp do najpotężniejszych teleskopów jest bardzo ograniczony, dobra selekcja celów ma znaczenie równie duże jak znalezienie nowych planet.

Czym jest strefa sprzyjająca życiu

Astronomowie od lat posługują się pojęciem tzw. strefy sprzyjającej życiu – to obszar wokół gwiazdy, w którym na powierzchni planety woda mogłaby utrzymywać się w stanie ciekłym. To pierwszy, zgrubny filtr.

Ziemia znajduje się wewnątrz takiej strefy dla Słońca. Wenus prawdopodobnie przekroczyła gorącą granicę, przez co zamieniła się w rozpalone piekło, a Mars z kolei leży poza chłodniejszym krańcem i większość jego dawnej wody zamarzła lub uleciała.

Sam kamienisty grunt i woda w stanie ciekłym nie gwarantują niczego. Dają natomiast chemii odpowiednio dużo czasu i przestrzeni na złożone reakcje. Właśnie tego szukają naukowcy: środowisk, gdzie procesy chemiczne mogą stabilnie trwać przez miliony czy miliardy lat.

Najbliższe egzoplanety pod lupą teleskopów

Im bliżej Ziemi leży dany układ planetarny, tym więcej szczegółów jesteśmy w stanie z niego wyciągnąć. Wśród 45 kandydatów znalazło się kilka szczególnie ciekawych, położonych relatywnie blisko w skali galaktyki.

• Jeden z badanych układów zawiera cztery skaliste planety w odległości około 40 lat świetlnych.
• Inny wyjątkowo obiecujący glob znajduje się niespełna 50 lat świetlnych od Ziemi.
• Część z nich otrzymuje ilość światła podobną do tej, jaką Ziemia dostaje od Słońca.

Te liczby brzmią ogromnie, ale w skali Drogi Mlecznej to właściwie „nasi kosmiczni sąsiedzi”. Dodatkowo w wielu przypadkach gwiazdy tych układów to małe, stosunkowo chłodne czerwone karły. To ważne, bo przy słabszym blasku gwiazdy kontrast między nią a planetą jest korzystniejszy, więc łatwiej taką planetę wykryć i śledzić jej ruch.

Jak sprawdzić, czy planeta ma atmosferę

Kluczowe pytanie brzmi: czy te skaliste globy utrzymują gęstą atmosferę. Bez niej powierzchnia planety zostaje wystawiona na promieniowanie gwiazdy, a woda dużo szybciej znika.

Planety tranzytujące – naturalne „podświetlenie” atmosfery

Część z wytypowanych egzoplanet przechodzi okresowo przed tarczą swojej gwiazdy z naszego punktu widzenia. Nazywamy je planetami tranzytującymi. Przy takim układzie geometrycznym mały fragment światła gwiazdy przechodzi przez warstwę gazów wokół planety.

Filtrując to światło przez spektrograf, teleskopy mogą wychwycić subtelne ślady pary wodnej, dwutlenku węgla czy metanu – a więc pierwiastków i związków kluczowych dla klimatu i, być może, dla biologii.

Dzięki temu astronomowie są w stanie z dużej odległości ocenić, czy planeta w ogóle ma atmosferę i z czego się ona mniej więcej składa.

Bezpośrednie obrazowanie – najtrudniejsze zadanie

Druga metoda to tzw. bezpośrednie obrazowanie, czyli próba „wyłuskania” słabego blasku samej planety z oślepiającego światła gwiazdy. Wymaga to ekstremalnie precyzyjnej optyki i zaawansowanych technik obróbki danych.

Nowy katalog klasyfikuje planety także pod kątem tego, która metoda daje większe szanse na sukces. Dzięki temu przyszłe misje kosmiczne i ogromne teleskopy naziemne dostaną gotową listę celów „pod swoje możliwości”.

Życie na granicy warunków

Część z 45 planet znajduje się dokładnie przy wewnętrznych i zewnętrznych granicach strefy sprzyjającej życiu. To szczególnie interesujące przypadki, bo tam klimat balansuje na krawędzi stabilności.

Jeśli pomiary nie potwierdzą oczekiwanych warunków przy tych granicach, naukowcy będą musieli przeprojektować same definicje „sprzyjającej” strefy. To oznacza, że te planety są dla astrofizyków czymś w rodzaju naturalnych punktów kontrolnych.

Gdy orbita nie jest kołem

Nie wszystkie obiecujące egzoplanety krążą po niemal idealnie kołowych orbitach. Część z nich porusza się po mocno wydłużonych torach, co astronomowie opisują jako dużą mimośrodowość orbity.

Taki układ oznacza, że planeta w ciągu jednego obiegu raz zbliża się do gwiazdy, a raz od niej oddala. Skutkiem są cykle ociepleń i ochłodzeń. Pytanie, czy atmosfera i ewentualne oceany są w stanie amortyzować te skoki energii, pozostaje otwarte.

Jeśli tak, życie mogłoby trwać także na globach o bardzo „niespokojnych” orbitach. Jeśli nie, granice stabilnych środowisk okażą się węższe, niż dziś zakładamy.

Dlaczego wiek planety ma znaczenie

Autorzy katalogu przyjrzeli się także temu, jak stare są gwiazdy i ich planety. Wśród obiektów o sensownie oszacowanym wieku znaleźli 17 gwiazd i 24 planety, które wydają się starsze niż nasz Układ Słoneczny.

Starszy system oznacza, że procesy geologiczne, chemiczne i możliwe biosfery miały więcej czasu na rozwój i zmiany. Nie znaczy to automatycznie, że powstało tam życie. Kolizje z dużymi asteroidami, intensywna aktywność gwiazdy czy brak aktywnych płyt tektonicznych mogą mocno spowolnić, a nawet zatrzymać ewolucję sprzyjającą organizmom.

Nawet jeśli same organizmy nigdy tam nie powstały, długa historia systemu może zostawić ślad w atmosferze: nietypowe proporcje gazów, warstwy chmur czy ślady dawnych oceanów. To z kolei dostarcza cennych wskazówek do porównania z Ziemią.

Gwałtowne gwiazdy, trudne środowiska

Wiele obiecujących planet krąży wokół małych, czerwonych gwiazd, które potrafią emitować gwałtowne rozbłyski. Takie erupcje promieniowania potrafią zdzierać górne warstwy atmosfery lub silnie modyfikować jej skład.

Jeśli planeta ma słabe pole magnetyczne albo cienką warstwę gazów, nawierzchnia staje się wyjątkowo niegościnna. Promieniowanie ultrafioletowe i wysokoenergetyczne cząstki mogą niszczyć złożone cząsteczki organiczne szybciej, niż zdążą się one powtórnie uformować.

Lisa Kaltenegger zwraca jednak uwagę, że życie może być znacznie bardziej elastyczne, niż dziś przypuszczamy. To, co z perspektywy człowieka wygląda jak skrajnie wrogie środowisko, dla hipotetycznych mikroorganizmów może być do zniesienia, jeśli te znajdą schronienie pod powierzchnią czy głęboko w oceanach.

Nowe teleskopy i „krótka lista” celów

Katalog 45 egzoplanet nie powstał z myślą o sensacyjnych nagłówkach, lecz jako narzędzie pracy dla astronomów. W najbliższych latach do gry wchodzą kolejne instrumenty: James Webb Space Telescope, teleskop Roman, gigantyczne obserwatoria naziemne nowej generacji i planowane misje kosmiczne.

Każdy z tych instrumentów ma inne ograniczenia: jedne lepiej radzą sobie z tranzytami, inne z bezpośrednim obrazowaniem. Część jest zoptymalizowana do podczerwieni, część do zakresu widzialnego. Gotowa lista najbardziej obiecujących planet, posegregowana według odległości, jasności gwiazdy i geometrii orbity, pozwala lepiej zaplanować każdą godzinę pracy teleskopu.

Nawet jeśli na żadnej z tych planet nie znajdziemy sygnałów przypominających ziemską biosferę, dane z obserwacji zawężą zakres temperatur, ciśnień i składów atmosfer, w których warto szukać dalej.

Co to znaczy „ślad życia” w praktyce

Dla wielu osób hasło „szukanie życia” kojarzy się z zielonymi ludzikami. W praktyce naukowcy w pierwszej kolejności będą wypatrywać czegoś dużo skromniejszego: nietypowych proporcji gazów w atmosferze.

Na Ziemi ciekawym wskaźnikiem jest połączenie tlenu i metanu. Bez ciągłego „podtrzymywania” przez organizmy oba gazy szybko weszłyby w reakcję chemiczną i zniknęły z atmosfery. Z kolei nadmiar dwutlenku węgla przy bardzo wysokich temperaturach może sugerować efekt cieplarniany podobny do tego na Wenus.

Dla egzoplanet z katalogu Kaltenegger naukowcy przygotowują listę takich potencjalnych sygnałów chemicznych. Jedne wskazywałyby na stabilny, łagodny klimat, inne na gwałtowne procesy wulkaniczne, a jeszcze inne – na coś, co przypomina aktywność żywych organizmów.

Dlaczego ta lista może się szybko zmieniać

Katalog 45 planet nie jest zbiorem niezmiennych prawd. Wraz z nowymi pomiarami odległości, rozmiarów, mas i temperatur poszczególne obiekty mogą awansować lub wypadać z grona „najlepszych kandydatów”.

Dokładniejsze dane z misji takich jak Gaia czy przyszłe obserwacje spektroskopowe pokażą, które z obecnie typowanych egzoplanet faktycznie mają stabilne atmosfery i odpowiedni dopływ energii, a które okażą się zbyt gorące, zbyt suche lub całkowicie pozbawione gazowej otoczki.

Dla czytelników może brzmieć to jak seria zmian zdania. Dla nauki jest to naturalny proces: każde precyzyjniejsze pomiary poprawiają wcześniejsze szacunki. Tym bardziej istotne staje się istnienie takiej listy – dzięki niej widać nie tylko pojedyncze, głośne planety, ale całą grupę najbardziej interesujących celów, na których koncentruje się wysiłek astronomów z całego globu.