45 najbardziej obiecujących planet podobnych do Ziemi. Tu może tlić się życie

To już nie jest chaotyczna lista tysięcy obcych światów, ale konkretny zestaw celów dla teleskopów. Naukowcy twierdzą, że właśnie na tych planetach opłaca się teraz skupić wysiłki – od analizy atmosfery po polowanie na chemiczne sygnały biologii.

Od 6 tysięcy egzoplanet do 45 „faworytów”

Dotąd potwierdzono istnienie ponad 6 tysięcy egzoplanet, czyli planet krążących wokół innych gwiazd niż Słońce. Większość z nich to gazowe olbrzymy, gorące światy krążące tuż przy gwieździe albo obiekty o parametrach zupełnie nieprzyjaznych życiu, jakie znamy z Ziemi.

Zespół kierowany przez Lisę Kaltenegger z Carl Sagan Institute przy Uniwersytecie Cornella postanowił przesiać tę kosmiczną bazę danych bardzo ostrym sitem. Naukowcy skorzystali z danych misji Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej i wybrali tylko te planety, które spełniają kilka kluczowych warunków:

• są skaliste lub przynajmniej zbliżone budową do Ziemi,
• znajdują się w strefie sprzyjającej istnieniu ciekłej wody,
• krążą wokół gwiazd, dla których da się oszacować wiek i jasność,
• ich położenie i orbita umożliwiają obserwacje obecnymi lub planowanymi teleskopami.

Po zastosowaniu wszystkich ograniczeń na liście zostało 45 obiektów. Dla jeszcze ostrzejszej, „konserwatywnej” definicji warunków przyjaznych życiu zespół zidentyfikował zaledwie 24 szczególnie rygorystyczne przypadki.

Te 45 egzoplanet to dziś najważniejsze cele, gdy chodzi o szukanie śladów życia poza Układem Słonecznym. Mają odpowiedni typ, orbitę i odległość, żeby teleskopy mogły faktycznie zbadać ich atmosfery.

Co to znaczy, że planeta leży w strefie zamieszkiwalnej

Kluczowym pojęciem w takich analizach jest tzw. strefa zamieszkiwalna. To pierścień wokół gwiazdy, w którym na powierzchni planety może utrzymać się ciekła woda. Za blisko gwiazdy – woda wyparuje, jak prawdopodobnie stało się na Wenus. Za daleko – zamarznie, jak na Marsie.

Ziemia krąży dokładnie w takim pasie. To nie gwarantuje automatycznie życia, ale daje chemii czas i przestrzeń, by mogły zachodzić złożone reakcje. Bez ciekłej wody procesy znane z biologii ziemskiej stają się niemal niemożliwe.

Nowa analiza pokazuje, jak bardzo położenie strefy zamieszkiwalnej zależy od typu gwiazdy. Czerwone, chłodniejsze gwiazdy tworzą taką strefę bliżej siebie, jaśniejsze i gorętsze – dużo dalej. Dodatkowo znaczenie ma barwa gwiazdy: różne długości fal inaczej ogrzewają atmosferę planety i jej powierzchnię.

Sama skała i woda to za mało

Naukowcy podkreślają, że nawet idealne położenie nie wystarcza. Potrzebna jest jeszcze stabilna atmosfera, odpowiednie ciśnienie, aktywność geologiczna i wiele innych czynników. Ziemia z przeszłości – pokryta oceanem lawy – leżała w tej samej strefie, co dziś, ale warunki były dla życia skrajnie wrogie.

Blisko znaczy lepiej: najciekawsze planety są „tuż obok”

Odległość do egzoplanety decyduje, jak szczegółowo można ją badać. Wśród 45 faworytów jest kilka naprawdę bliskich układów, leżących w promieniu kilkudziesięciu lat świetlnych od Ziemi. To dystans, przy którym współczesne teleskopy mają realną szansę uchwycić subtelne sygnały atmosfery.

Wśród kandydatów znajdują się m.in. systemy z kilkoma skalistymi planetami w jednym układzie – jeden z nich leży około 40 lat świetlnych od nas, inny mniej niż 50. Część z tych planet dostaje od swojej gwiazdy podobną ilość energii, co Ziemia od Słońca.

Paradoksalnie pomaga fakt, że wiele z nich krąży wokół małych, ciemniejszych gwiazd. Przy takim układzie łatwiej zmierzyć spadek jasności, gdy planeta przechodzi przed tarczą gwiazdy, i łatwiej oddzielić jej słabe światło od blasku samej gwiazdy.

Dlaczego czas teleskopu jest cenniejszy niż złoto

Teleskopy kosmiczne, takie jak James Webb Space Telescope (JWST), mają kalendarz obserwacji wypełniony na lata. Każda godzina pracy to wyniki za miliardy dolarów. W takiej sytuacji bardzo zawężona lista celów staje się nie mniej cenna niż kolejne „znalezione” egzoplanety.

Im precyzyjniej wybierzemy cele, tym większa szansa, że teleskop w ogóle zarejestruje jakikolwiek sygnał związany z atmosferą, chemią czy potencjalną biosygnaturą.

Jak sprawdzić, czy na planecie jest atmosfera

Najpotężniejszym narzędziem w tym zestawie metod są tzw. planety tranzytujące. To obiekty, które z naszej perspektywy przechodzą przed tarczą swojej gwiazdy. W momencie takiego tranzytu część światła gwiazdy przechodzi przez gaz otaczający planetę.

Teleskopy mogą rozłożyć to światło na „tęczę” i sprawdzić, jakie gazy pochłaniają konkretne długości fal. W ten sposób da się wywnioskować, czy planeta w ogóle ma atmosferę i co w niej dominuje – dwutlenek węgla, para wodna, metan czy inne związki.

Druga metoda to obrazowanie bezpośrednie. Tutaj naukowcy próbują wizualnie oddzielić bardzo słabe światło planety od oślepiającego blasku gwiazdy. To skrajnie trudne zadanie, ale rozwijane instrumenty – zarówno na Ziemi, jak i w kosmosie – zaczynają sobie z nim radzić.

Dobranie odpowiedniej metody do odpowiedniej planety

Nowy katalog nie jest tylko listą nazw. Dla każdej z 45 planet badacze ocenili, która technika obserwacji ma największe szanse powodzenia. Niektóre planety idealnie nadają się do tranzytów, inne do prób obrazowania, kilka do obu metod równocześnie.

Planety na granicy tego, co „znośne” dla życia

Część z 45 obiektów leży dokładnie na krawędziach teoretycznej strefy, gdzie warunki zaczynają się gwałtownie pogarszać. Bliżej wewnętrznej granicy rośnie ryzyko odparowania oceanów i utraty wody w kosmos. Bliżej zewnętrznej – powierzchnia może przez większość czasu pozostawać zlodowaciała.

Jeżeli obserwacje pokażą, że takie planety wciąż mają stabilne atmosfery i potencjał dla ciekłej wody, trzeba będzie przemyśleć położenie granic przyjaznych warunków. Jeżeli będą całkowicie suche lub skute lodem, zyskujemy twardy punkt odniesienia: tutaj środowisko zaczyna się rozsypywać.

Orbity, które się „chwieją”

Nie każda egzoplaneta ma ładną, niemal okrągłą orbitę jak Ziemia. Część porusza się po mocno wydłużonych torach. W praktyce oznacza to, że przez część roku zbliżają się do gwiazdy, wyraźnie się nagrzewają, a potem odlatują na zimniejsze rejony.

Naukowcy szukają odpowiedzi, czy atmosfery i oceany potrafią takie wahania energii „zbuforować”. Jeżeli planeta ma gęstą atmosferę i dużo wody, zmiany temperatury mogą się rozłożyć w czasie, a życie – jeśli tam istnieje – mogłoby przetrwać cykliczne fale upałów i chłodów.

Znaczenie wieku gwiazdy i planety

Zespół Kaltenegger osobno przeanalizował układy, dla których da się w miarę wiarygodnie oszacować wiek. W tej grupie 17 gwiazd i 24 planety okazały się starsze niż Ziemia i Słońce.

Starszy układ nie musi wcale oznaczać „bardziej rozwiniętego” życia. Wszystko zależy od historii geologicznej planety, częstotliwości zderzeń z asteroidami, składu chemicznego i wielu innych czynników. Ale dłuższy czas to większa szansa, że atmosfera „zapisze” w sobie zmiany zachodzące przez miliardy lat.

Stare układy mogą pełnić rolę archiwum. Jeżeli życie gdzieś się pojawiło, jego wpływ na atmosferę mógł gromadzić się dużo dłużej niż na Ziemi.

Małe gwiazdy, duże ryzyko dla atmosfer

Wiele z najciekawszych egzoplanet krąży wokół tzw. czerwonych karłów. To małe i stosunkowo chłodne gwiazdy, ale bardzo aktywne. Potrafią emitować gwałtowne rozbłyski, które potężnymi porcjami promieniowania uderzają w planety.

Takie „baty” od gwiazdy mogą z czasem zedrzeć atmosferę, szczególnie jeśli planeta nie ma silnego pola magnetycznego, które odchyla naładowane cząstki. Dla teleskopów to wygodne, bo odsłonięta powierzchnia i bliskość gwiazdy ułatwiają pomiar. Dla ewentualnych organizmów – to raczej skrajnie trudne środowisko.

Lisa Kaltenegger podkreśla, że życie może okazać się znacznie bardziej elastyczne, niż sądzimy na podstawie samej Ziemi. Być może istnieją formy przyzwyczajone do ciągłego bombardowania promieniowaniem albo funkcjonujące głęboko pod powierzchnią czy pod grubą warstwą lodu.

Jakie teleskopy wezmą te planety „pod lupę”

Nowy katalog nie powstał z myślą o efektownych nagłówkach czy scenariuszach filmów science fiction. Naukowcy projektowali go pod konkretne kampanie obserwacyjne. W najbliższych latach do gry wchodzą kolejne instrumenty:

• James Webb Space Telescope – już dziś analizuje atmosfery niektórych egzoplanet i świetnie radzi sobie z tranzytami,
• teleskop Roman – planowana misja NASA nastawiona m.in. na badania egzoplanet i ciemnej energii,
• gigantyczne teleskopy naziemne o zwierciadłach kilkudziesięciometrowych,
• proponowane misje przyszłości, w tym koncepcje statków zdolnych do bardzo szybkich przelotów międzygwiezdnych.

Kaltenegger porównuje zestaw 45 planet do mapy „gdzie warto polecieć”, gdyby ludzkość kiedykolwiek zbudowała desperacką, międzygwiezdną sondę. Nawet brak śladów życia na takich obiektach nie byłby porażką – pozwoliłby precyzyjniej ustawić parametry instrumentów i poprawić modele teoretyczne.

Co dla nas oznacza lista 45 potencjalnie „życiodajnych” planet

Nowy katalog nie jest obietnicą znalezienia obcych cywilizacji. To raczej mocne zawężenie pola poszukiwań do miejsc, w których fizyka i chemia dają realną szansę na interesujące sygnały. Zamiast wpatrywać się w przypadkowe punkty na niebie, astronomowie dostają zestaw celów z konkretną hierarchią ważności.

Dla czytelników warto wyjaśnić też samo pojęcie „biosygnatury”. To nie jest obraz zielonej łąki na obcej planecie. Raczej subtelny nadmiar tlenu, metanu lub nietypowa kombinacja gazów, której nie da się łatwo wytłumaczyć procesami geologicznymi. Właśnie takich schematów teleskopy będą szukać na wytypowanych 45 egzoplanetach.

Osobny wątek to kwestia odległości i czasu. Nawet najbliższe z tych planet leżą dziesiątki lat świetlnych od nas. Dla obecnej techniki lot w tamtą stronę pozostaje poza zasięgiem. Ale sama informacja, że gdzieś tam istnieje skalista planeta z atmosferą i wodą, zmienia sposób myślenia o miejscu Ziemi w kosmosie.

Gdy kolejne teleskopy zaczną systematycznie badać tę elitarną grupę, część kandydatów zapewne wypadnie z listy. Inne zyskają status absolutnych priorytetów. Wtedy pytanie „czy gdzieś indziej istnieją choćby najprostsze formy życia” zacznie przechodzić z działu rozważań filozoficznych do działu eksperymentalnych wyników obserwacji.