45 najbardziej obiecujących egzoplanet. Tu może tlić się obce życie

Lista kilku tysięcy znanych egzoplanet właśnie skurczyła się do 45 najbardziej intrygujących celów, gdzie mogą panować warunki sprzyjające życiu.

Nowa analiza astronomów zamienia chaotyczny katalog odległych globów w krótką, konkretną listę miejsc, które warto prześwietlić najdokładniejszymi teleskopami. To tam, według naukowców, szanse na ślady biologii – choćby w formie prostych mikroorganizmów – są dziś najwyższe.

45 skalistych światów na celowniku nauki

Do tej pory potwierdzono istnienie ponad 6 tysięcy egzoplanet, czyli planet krążących wokół innych gwiazd niż Słońce. Większość z nich to gorące olbrzymy, zupełnie nieprzypominające Ziemi. Zespół kierowany przez Lisę Kaltenegger z Instytutu Carla Sagana na uniwersytecie Cornell wyciął z tego zbioru wszystko, co zbyt egzotyczne, zbyt masywne albo zbyt odległe od strefy sprzyjającej wodzie w stanie ciekłym.

Badacze skupili się wyłącznie na planetach skalistych, podobnych bardziej do Ziemi czy Marsa niż do Jowisza. Korzystając z danych misji Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej, stworzyli katalog 45 takich światów, które spełniają rygorystyczne kryteria. W bardziej konserwacyjnej wersji listy, przy założeniu węższej strefy sprzyjającej życiu, zostało już tylko 24 kandydatów.

Lista 45 egzoplanet to nie ranking „najładniejszych planet na plakaty”, ale robocza mapa dla teleskopów, które mają sprawdzić, gdzie faktycznie mogą istnieć sprzyjające środowiska.

Dla astronomów to kluczowa zmiana: cenny czas na największych teleskopach jest mocno ograniczony. Im krótsza i lepiej dobrana lista celów, tym większa szansa, że wysiłek przyniesie wymierne wyniki – nawet jeśli będą to wyniki negatywne.

Strefa sprzyjająca życiu: gdzie woda może pozostać ciekła

Podstawowym filtrem w tej selekcji jest tak zwana strefa życia – zakres odległości od gwiazdy, w którym woda na powierzchni planety mogłaby utrzymywać się w stanie ciekłym. Za blisko gwiazdy, a powierzchnia zamienia się w piekło przypominające Wenus. Za daleko, a planeta upodabnia się do zamarzniętego Marsa.

Ziemia znajduje się w środku tej strefy wokół Słońca, Mars najpewniej tuż za jej chłodną granicą, a Wenus wyraźnie poza gorącą. Porównując parametry innych układów gwiezdnych z tym, co znamy z własnej okolicy, naukowcy wyznaczają dla każdej gwiazdy jej indywidualną „zieloną strefę”. Kolor, masa i jasność gwiazdy przesuwają te granice: czerwone, chłodne gwiazdy mają strefę bardzo blisko, a gorące, niebieskawe – daleko.

Sama skała i woda to za mało, by mówić o życiu. Ciekła woda stwarza jednak chemii odpowiednio dużo czasu i przestrzeni, żeby mogły zajść złożone reakcje. Dlatego to właśnie ten warunek stał się pierwszą, podstawową bramką w selekcji 45 kandydatów.

Najbliższe egzoplanety bardziej w zasięgu

Odległość ma ogromne znaczenie dla tego, co da się realnie zbadać z użyciem obecnych instrumentów. Katalog Kaltenegger uwzględnia ten aspekt i pokazuje, że część najbardziej interesujących światów leży stosunkowo blisko, na kosmiczną skalę.

• Jeden z najciekawszych układów z listy zawiera aż cztery skaliste planety w odległości około 40 lat świetlnych.
• Inny bardzo obiecujący glob znajduje się zaledwie niecałe 50 lat świetlnych od Ziemi.
• Niektóre z tych planet otrzymują ilość energii od swojej gwiazdy zbliżoną do tej, jaką Ziemia dostaje od Słońca.

Co istotne, wiele z nich krąży wokół małych i stosunkowo ciemnych gwiazd, często czerwonych karłów. Dzięki temu planetę łatwiej „wyłuskać” z blasku gwiazdy, mierzyć jej ruch i śledzić zmiany w czasie.

Jak sprawdzić, czy egzoplaneta ma atmosferę

Kolejne sito w selekcji to możliwość zbadania atmosfery, jeśli w ogóle istnieje. Tu grają rolę dwie główne techniki obserwacyjne.

Planety przechodzące przed tarczą gwiazdy

Część wytypowanych światów to tak zwane planety tranzytujące. Z perspektywy Ziemi ich orbita przebiega tak, że co pewien czas przechodzą na tle swojej gwiazdy, delikatnie przyciemniając jej blask.

Podczas takiego przejścia niewielka część światła gwiazdy przechodzi przez górne warstwy atmosfery planety. Teleskopy rejestrują to światło i rozbijają je na składniki, jak przez pryzmat. Z charakterystycznych „dołków” w widmie da się wyczytać, jakie cząsteczki gazów pochłaniają promieniowanie – czyli jakie składniki gazowe otulają planetę.

Bezpośredni obraz planety

Druga metoda, znacznie trudniejsza technicznie, to bezpośrednie obrazowanie. Chodzi o to, by w obserwacjach odseparować mikroskopijny sygnał planetarny od oślepiającej poświaty gwiazdy. To wymaga bardzo precyzyjnej optyki, koronografów i sprytnej analizy danych.

Autorzy nowego katalogu punktują, które planety najlepiej nadają się do badań tranzytów, a które do prób bezpośredniego obrazowania – tak by dopasować konkretne cele do możliwości konkretnych teleskopów.

Na krawędzi warunków sprzyjających życiu

Część z 45 planet leży na samych granicach strefy, w której mogłaby istnieć woda w stanie ciekłym. Niektóre okrążają gwiazdę tak blisko, że nawet niewielki wzrost jasności mógłby w skali milionów lat odparować oceany i odsłonić suchą, wypaloną powierzchnię. Inne są po chłodniejszej stronie – tam problemem może być utrzymanie dodatnich temperatur na powierzchni.

Jeśli obserwacje pokażą, że rzeczywiste warunki odbiegają od modeli, naukowcy będą musieli skorygować nasze wyobrażenie o granicach przyjaznych środowisk. Być może życie lepiej radzi sobie w chłodzie, niż zakładamy, albo przeciwnie – znosi wyższe temperatury, o ile atmosfera i chmury działają jak naturalna osłona.

Gdy orbita nie jest idealnym kołem

Nie wszystkie obiecujące egzoplanety krążą po niemal idealnie okrągłych orbitach. Część porusza się po silnie wydłużonych torach. W praktyce oznacza to, że przez część roku zbliżają się do swojej gwiazdy, doświadczając intensywnego „lata”, a potem wędrują daleko w chłodniejsze rejony.

Taka zmienność – określana jako ekscentryczność orbity – prowadzi do powtarzających się okresów nagrzewania i wychładzania. Badacze chcą sprawdzić, czy atmosfera i ewentualne oceany są w stanie te wahania „wygładzić” i utrzymać w miarę stabilne warunki przez dłuższy czas.

Nawet jeśli okaże się, że przy bardzo zmiennej orbicie powierzchnia nie jest zbyt przyjazna, takie planety pomogą lepiej zrozumieć, gdzie i dlaczego zaczynają się załamywać środowiska sprzyjające życiu.

Wiek układu ma znaczenie

Zespół Kaltenegger zwrócił też uwagę na wiek gwiazd i ich planet. W przypadkach, gdzie dało się go oszacować, zidentyfikowano 17 gwiazd i 24 planety starsze niż Ziemia.

Sam wiek nie gwarantuje powstania biologii. Procesy geologiczne, chemiczne i bombardowanie przez komety oraz asteroidy mogą przyspieszyć, spowolnić albo całkowicie przerwać rozwój złożonych układów chemicznych. Starszy system może jednak przechowywać w atmosferze ślady długiej historii przemian – a to sprawia, że dla astronomów jest szczególnie ciekawy.

Aktywne gwiazdy kontra delikatne atmosfery

Nawet idealna orbita nie wystarczy, jeśli planeta nie potrafi utrzymać atmosfery. Wiele pozycji z nowej listy krąży wokół małych, ale bardzo aktywnych czerwonych gwiazd. Takie gwiazdy często wybuchają rozbłyskami, wyrzucając w przestrzeń fale wysokoenergetycznego promieniowania.

Silne rozbłyski mogą stopniowo zdmuchiwać górne warstwy atmosfery albo bombardować powierzchnię cząstkami naładowanymi. Tylko odpowiednio gęsta atmosfera i mocne pole magnetyczne planety są w stanie działać jak tarcza.

Jak podkreśla Lisa Kaltenegger, życie może okazać się znacznie bardziej odporne, niż dziś zakładamy. Jednocześnie najbardziej „widoczne” dla teleskopów planety wcale nie muszą być najwygodniejszym miejscem dla organizmów żyjących na powierzchni.

Teleskopy nowej generacji szykują się do pracy

Nowy katalog ma służyć realnym kampaniom obserwacyjnym. To swoista lista priorytetów na nadchodzące lata dla takich instrumentów jak James Webb Space Telescope, przyszły teleskop Roman, a także gigantyczne obserwatoria naziemne z segmentowanymi zwierciadłami o średnicy kilkudziesięciu metrów.

Dzięki uszeregowaniu egzoplanet pod kątem odległości, jasności gwiazdy, geometrii orbit i przewidywanej „łatwości” badania atmosfer, naukowcy mogą świadomie wybierać, którą planetę sprawdzić danym instrumentem. Nawet jeśli w większości przypadków wyniki pokażą brak wyraźnych śladów biologii, pomogą dopracować modele i lepiej zrozumieć, jak interpretować subtelne sygnały.

Autorzy badania żartobliwie piszą, że ich katalog wskazuje, dokąd powinna polecieć hipotetyczna „ostatnia misja ratunkowa” ludzkości, gdyby kiedyś udało się zbudować sondę zdolną do międzygwiezdnej podróży. Na razie to wizja rodem z kina science fiction, ale sama lista celów jest jak najbardziej praktyczna i mocno osadzona w danych.

Co faktycznie można będzie sprawdzić

W najbliższych latach teleskopy będą polować głównie na sygnały gazów, które na Ziemi łączymy z aktywnością biologiczną: tlen, ozon, metan czy podtlenek azotu. Prawdziwym przełomem byłoby wykrycie zestawu takich gazów w proporcjach trudnych do wyjaśnienia wyłącznie procesami geologicznymi.

W praktyce bardziej realistyczne jest stopniowe zawężanie obszaru poszukiwań. Jeśli okaże się, że część skalistych egzoplanet w strefie sprzyjającej wodzie ma grube, toksyczne atmosfery podobne do Wenus albo kompletny brak powłoki gazowej, pozwoli to odsiać mniej obiecujące kierunki i mocniej skupić się na tych światach, gdzie sygnały wyglądają choć trochę „ziemsko”.

Z polskiej perspektywy ciekawa jest rosnąca rola europejskich misji kosmicznych, takich jak Gaia, które dostarczają precyzyjnych danych o odległościach, jasności i ruchu gwiazd. Bez takich pomiarów trudno byłoby w ogóle stworzyć tak zawężoną listę kandydatów. W kolejnych dekadach do gry wejdą wyspecjalizowane misje nastawione wyłącznie na badanie atmosfer egzoplanet, wykorzystujące doświadczenia z obecnych programów.