45 planet pozasłonecznych, na których życie ma realną szansę

Naukowcy wytypowali niewielką grupę planet spoza Układu Słonecznego, które najbardziej przypominają miejsca sprzyjające życiu.

Z ponad sześciu tysięcy znanych już egzoplanet astrofizycy wyłuskali 45 skalistych światów, na których warunki mogą przypominać młodą Ziemię. Ta skrócona lista ma wskazać teleskopom najbardziej obiecujące cele i wreszcie pozwolić sprawdzić, gdzie w kosmosie chemia naprawdę zamienia się w biologię.

Jak z tysięcy egzoplanet zostało tylko 45 kandydatów

Poszukiwania zaczęły się od ogromnego katalogu obiektów – obecnie znamy już ponad 6 tys. potwierdzonych egzoplanet. Większość z nich to światy gazowe, miniaturowe odpowiedniki Jowisza lub Neptuna, zupełnie niepodobne do Ziemi.

Zespół kierowany przez Lisę Kaltenegger z Instytutu Carla Sagana na Uniwersytecie Cornella zawęził listę tylko do planet skalistych. Wykorzystano bardzo precyzyjne dane z misji Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej, która mierzy odległości, jasności i ruchy gwiazd z wyjątkową dokładnością.

Po serii filtrów zostało 45 obiektów, które mogą mieć twardą powierzchnię i odpowiednie warunki termiczne. W jeszcze bardziej surowej wersji zestawienia, gdzie przyjęto węższy zakres „przyjaznych” temperatur, przetrwały tylko 24 planety. To właśnie one mogą dostać pierwszeństwo w kolejce po czas na największych teleskopach.

Lista 45 skalistych egzoplanet zamienia chaotyczny spis kilku tysięcy obiektów w konkretny plan badań, skupiony na światach najbardziej sprzyjających życiu.

Strefa zamieszkiwalna: gdzie woda może pozostać ciekła

Głównym kryterium była tzw. strefa zamieszkiwalna, czyli obszar wokół gwiazdy, w którym na powierzchni planety woda może występować w stanie ciekłym. Za blisko – planeta przegrzewa się na podobieństwo Wenus. Za daleko – zamienia się w zlodowaciałego krewnego Marsa.

Astronomowie traktują strefę zamieszkiwalną jako filtr startowy. Sama skała i woda nie wystarczą, żeby powstało życie, ale bez ciekłej wody reakcje chemiczne mają bardzo małe szanse na ciągłość i złożoność.

Ziemia znajduje się komfortowo w środku takiej strefy. Porównanie z Wenus i Marsem pozwala lepiej zrozumieć, gdzie leży górna granica upału i dolna granica chłodu dla planet w innych układach.

Nie każda strefa jest taka sama

Granice strefy zamieszkiwalnej zmieniają się w zależności od typu gwiazdy. Czerwone, chłodniejsze gwiazdy ogrzewają planety inaczej niż gwiazdy podobne do Słońca. Różne długości fali promieniowania w odmienny sposób podgrzewają atmosferę.

• gwiazdy chłodniejsze: strefa zamieszkiwalna leży bardzo blisko gwiazdy,
• gwiazdy podobne do Słońca: strefa jest dalej, ale szersza,
• gwiazdy gorętsze: granice przesuwają się jeszcze dalej, ale warunki bywają mniej stabilne w czasie.

Dlatego te same parametry temperatury powierzchni trzeba za każdym razem odnosić do konkretnego typu gwiazdy, a nie tylko do podobieństwa do Ziemi.

Im bliżej Ziemi, tym lepiej dla teleskopów

Duże znaczenie ma odległość. Nawet najbardziej obiecująca planeta pozostanie dla nas ciemnym punktem, jeśli leży zbyt daleko na tle swojej gwiazdy. W nowym katalogu kilka pozycji znajduje się w odległości kilkudziesięciu lat świetlnych – to wciąż kosmiczny dystans, ale zasięg dla współczesnych instrumentów.

Jeden z opisanych układów ma cztery skaliste planety około 40 lat świetlnych od Ziemi. Inny pojedynczy kandydat krąży nieco poniżej 50 lat świetlnych stąd. Część z tych planet dostaje podobną ilość energii gwiazdowej co Ziemia od Słońca, co dodatkowo podnosi ich atrakcyjność.

Co ważne, wiele z nich orbituje wokół małych, stosunkowo chłodnych gwiazd. Takie gwiazdy świecą słabiej, więc kontrast między nimi a planetą bywa korzystniejszy, co ułatwia detekcję i dalsze badania.

Najbardziej obiecujące cele leżą w kosmicznej „okolicy” – kilkadziesiąt lat świetlnych od nas, w zasięgu teleskopów już pracujących i tych dopiero budowanych.

Jak bada się atmosfery egzoplanet

Żeby mówić o szansach na życie, trzeba sprawdzić, czy planeta ma atmosferę i z czego się ona składa. Nowy katalog uwzględnia, które obiekty nadają się do różnych metod badawczych.

Planety tranzytujące

Część z wytypowanych kandydatów to tak zwane planety tranzytujące – z perspektywy Ziemi co pewien czas przesuwają się na tle tarczy swojej gwiazdy. Wtedy część światła gwiazdy przechodzi przez ewentualną atmosferę planety.

Teleskopy mogą analizować to przefiltrowane światło i szukać w nim śladów gazów, takich jak para wodna, dwutlenek węgla czy metan. To pierwsza wskazówka, czy planeta ma „płaszcz” powietrzny i czy przypomina on coś znanego z Układu Słonecznego.

Bezpośrednie obrazowanie

Druga technika to bezpośrednie obrazowanie, w którym naukowcy próbują odseparować słabiutkie światło planety od oślepiającego blasku gwiazdy. Wymaga to ekstremalnie czułych kamer i specjalnych osłon optycznych.

Nowy katalog porządkuje kandydatów tak, by dopasować je do możliwości różnych teleskopów: jedne lepiej nadają się do badań tranzytów, inne do obrazowania bezpośredniego. Dzięki temu przyszłe kampanie obserwacyjne mogą planować priorytety znacznie rozsądniej.

Planety na granicy warunków do życia

Wśród 45 obiektów znajdują się światy leżące na samych krawędziach strefy zamieszkiwalnej. Część krąży bardzo blisko swoich gwiazd, gdzie wzrost temperatury może stopniowo odparować oceany i pozostawić jałową, wypaloną powierzchnię.

Inne plasują się po chłodniejszej stronie, gdzie utrzymanie ciekłej wody staje się trudniejsze. Lód może dominować przez większą część roku, a ocean – jeśli w ogóle istnieje – przetrwa tylko w szczególnych miejscach, jak głębokie baseny geotermalne.

Jeżeli obserwacje pokażą, że takie planety radzą sobie lepiej lub gorzej, niż przewidują modele, trzeba będzie skorygować położenie „bezpiecznej” strefy wokół różnych typów gwiazd. Każdy przypadek testuje granicę, przy której warunki dla życia zaczynają się załamywać.

Rola orbit i zmiennego klimatu

Nie wszystkie kandydatki poruszają się po ładnych, prawie kołowych orbitach. Część wybiera bardziej wydłużone tory, co oznacza wyraźne wahania odległości od gwiazdy w trakcie jednego obiegu.

Taki „rozciągnięty” ruch – astrofizycy mówią o mimośrodowości orbity – prowadzi do cykli gwałtownego ocieplania i wychładzania planety. Pytanie, czy atmosfera i oceany potrafią to zbuforować, czy też klimat regularnie popada w skrajności uniemożliwiające stabilne środowisko.

Kilka egzoplanet z katalogu leży właśnie w takim reżimie. Obserwując je, badacze chcą sprawdzić, jak bardzo życie (jeśli powstaje) potrafi przystosować się do rytmu kosmicznych przypływów temperatury.

Czy starsze układy dają większą szansę na życie

Zespół Kaltenegger przyjrzał się też wiekowi gwiazd, wokół których krążą nowe kandydatki. Wśród układów z wiarygodnymi szacunkami wieku 17 gwiazd i 24 planety wydaje się starszych od Ziemi.

To nie oznacza automatycznie, że życie zdążyło tam powstać. Geologia, skład chemiczny, a nawet częstotliwość uderzeń asteroid mogą przyspieszać lub spowalniać rozwój ewentualnych biosfer. Mimo to dojrzałe systemy mogą przechowywać w atmosferach ślady długiej historii, których młodsze planety jeszcze nie zdążyły wykształcić.

Starsze od Ziemi układy dają szansę spojrzenia, jak mogłaby wyglądać planeta, gdyby procesy geologiczne i chemiczne dostały znacznie więcej czasu.

Trudny sąsiad: aktywna gwiazda potrafi zniszczyć atmosferę

Nawet perfekcyjna orbita nie wystarczy, jeśli gwiazda co chwilę wybucha potężnymi rozbłyskami. Wiele z opisanych planet krąży wokół czerwonych, aktywnych gwiazd, które często emitują gwałtowne porcje energii i naładowanych cząstek.

Takie „pogodowe ataki” mogą stopniowo wywiewać atmosferę z planety albo przynajmniej mocno ją przerzedzać. Skrajne rozbłyski potrafią też zniszczyć warstwę ozonową, odsłaniając powierzchnię na silne promieniowanie ultrafioletowe.

Naukowcy nie wykluczają jednak, że życie potrafi dostosować się do bardziej brutalnego otoczenia, niż dziś zakładamy. Wypowiedzi Kaltenegger sugerują, że organizmy mogą okazać się znacznie bardziej elastyczne od naszych intuicji opartych na jednej planecie – Ziemi.

Po co nam ranking egzoplanet: teleskopy i realne misje

Nowy katalog nie powstał dla sensacyjnych nagłówków, ale jako narzędzie do planowania obserwacji. Czas na instrumentach takich jak James Webb Space Telescope jest cenny, a kolejka projektów – ogromna. Podobnie będzie w przypadku przyszłego teleskopu Roman oraz gigantycznych obserwatoriów naziemnych.

Ranking pomaga ustalić konkretne cele dla różnych typów instrumentów: jedne teleskopy lepiej sprawdzą się przy analizie tranzytów, inne przy bezpośrednim obrazowaniu, jeszcze inne przy precyzyjnym pomiarze masy i gęstości planet.

Badacze mówią wprost: jeśli ludzkość kiedyś zbuduje sondę typu „ostatnia próba” i będzie szukała jednego celu poza Układem Słonecznym, to właśnie w takim katalogu znajdzie kandydatów do odwiedzin.

Co właściwie uznajemy za „ślad życia”

W praktyce teleskopy będą wypatrywać nie tyle zielonych łąk, ile specyficznych kombinacji gazów w atmosferze. Na Ziemi obecność tlenu, ozonu i metanu w tych proporcjach, które znamy, bardzo mocno sugeruje działania żywych organizmów.

W przypadku egzoplanet naukowcy szukają tzw. biosygnatur – wzorów chemicznych trudnych do wyjaśnienia bez udziału metabolizmu. Katalog 45 planet daje listę miejsc, gdzie takie sygnały można realnie wyłapać w ciągu najbliższych dekad.

Pojawia się przy tym ryzyko pomyłek. Na przykład silna aktywność wulkaniczna albo specyficzny skład skorupy mogą wytwarzać duże ilości pewnych gazów bez żadnego udziału życia. Z drugiej strony bardzo proste lub ukryte biosfery mogą nie zostawiać wyraźnego śladu w atmosferze i „przejść pod radarem”.

Dlatego każdą nietypową kombinację gazów trzeba będzie testować przy pomocy różnych modeli geologicznych i klimatycznych. Sam sygnał w widmie to dopiero początek interpretacji, a nie ostateczny dowód.

Dlaczego ta lista zmieni się wiele razy

Katalog opublikowano w renomowanym czasopiśmie astronomicznym, ale jego autorzy zakładają, że lista 45 kandydatów nie jest ostateczna. Wraz z nowymi pomiarami odległości, mas i orbit część planet wypadnie z zestawienia, inne – dziś jeszcze nieznane – trafią na szczyt rankingów.

Taka „żywa” lista ma jedną dużą zaletę: nawet brak sygnałów biologicznych staje się wartościową informacją. Jeśli kolejne planety, spełniające na pozór wszystkie kryteria, okażą się martwe, astrofizycy będą musieli zmienić założenia o tym, gdzie i jak łatwo powstaje życie. Z kolei jedno mocne wskazanie aktywnej biosfery natychmiast pokaże, które parametry układu są naprawdę sprzyjające.

Dla zwykłego czytelnika liczy się może coś jeszcze innego. Ta lista pokazuje, że pytanie „czy jesteśmy sami” przestaje być czysto filozoficzne. Zaczyna mieć konkretne współrzędne, czasy ekspozycji na teleskopach i numery katalogowe. A to oznacza, że odpowiedź – pozytywna albo nie – przestaje być kwestią wiary, a staje się problemem obserwacji i statystyki.