Proxima b, planeta o rozmiarach Ziemi znajdująca się poza Układem Słonecznym, w ekosferze swojej gwiazdy macierzystej, może nie być w stanie utrzymać swojej atmosfery, pozostawiając swoją powierzchnię bez ochrony przed szkodliwym promieniowaniem emitowanym przez gwiazdę i eliminując możliwość istnienia na niej życia.
Znajdując się w odległości czterech lat świetlnych od Ziemi, Proxima b jest najbliższą nam egzoplanetą. Niemniej jednak, z uwagi na fakt, że nie udało się dostrzec jej tranzytu na tle tarczy gwiazdy macierzystej, planeta wymyka się klasycznym metodom badania atmosfery. Zamiast tego naukowcy muszą polegać na modelach, aby zrozumieć czy owa planeta mogłaby sprzyjać życiu.
Jeden z takich modeli komputerowych analizował co by się stało, gdyby to Ziemia znalazła się na jej orbicie wokół Proximy Centauri, najbliższej nam gwieździe i jednocześnie gwieździe macierzystej Proximy b. Wyniki badań opublikowane 24 lipca 2017 roku w periodyku The Astrophysical Journal Letters wskazują, że atmosfera Ziemi nie przetrwałaby w tak niewielkiej odległości od burzliwego czerwonego karła.
„Postanowiliśmy przeanalizować jedyną znaną nam jak dotąd planetę sprzyjającą życiu – Ziemię – i umieścić ją na orbicie, po której krąży Proxima b”, mówi Katherine Garcia-Sage, naukowiec z NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt, główna autorka opracowania. Badania wspierane były przez zespół NExSS – wiodącego projektu poszukiwania życia na planetach pozasłonecznych – oraz przez NASA Astrobiology Institute.
Sam fakt przebywania Proximy b w ekosferze, czyli w odległości od gwiazdy macierzystej, w której woda potencjalnie może istnieć w stanie ciekłym na powierzchni, nie wystarczy. Wszak nie oznacza to automatycznie, że woda z pewnością istnieje na powierzchni planety lub planeta jest w stanie utrzymać wokół siebie stabilną atmosferę.
Atmosfera jest także kluczowym elementem dla życia takiego jakie znamy: pozwala ona na regulowanie klimatu, utrzymanie odpowiedniego dla wody ciśnienia atmosferycznego na powierzchni, ochronę przed niebezpiecznymi zjawiskami pogody kosmicznej i stanowi miejsce przebywania wszystkich elementów składowych niezbędnych do powstania życia.
Model komputerowy opracowany przez Garcia-Sage i jej współpracowników wykorzystał ziemską atmosferę, pole magnetyczne i grawitację jako dane wejściowe dla Proximy b. Naukowcy obliczyli także jak dużo promieniowania emituje średnio Proxima Centauri. Obliczenia te oparto o obserwacje przeprowadzone za pomocą Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra.
Dzięki tym danym, model symuluje wpływ intensywnego promieniowania gwiazdy macierzystej oraz częste rozbłyski na jej powierzchni na atmosferę egzoplanety.
„Pytanie zatem brzmi: jak duża część atmosfery ulega wywianiu i jak szybko ten proces zachodzi?” mówi Ofer Cohen, naukowiec z University of Massachusetts w Lowell oraz współautor opracowania. „Jeżeli oszacujemy ten czas, możemy obliczyć jak szybko dojdzie do całkowitego wywiania atmosfery i porównać ten wynik z wiekiem planety”.
Aktywny czerwony karzeł taki jak Proxima Centauri odziera planetę z atmosfery gdy wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe jonizuje gazy atmosferyczne wybijając elektrony z ich atomów i prowadząc do powstania strumieni elektrycznie naładowanych cząstek. W procesie tym, nowo powstałe elektrony uzyskują wystarczająco dużo energii aby uwolnić się spod wpływu grawitacji planety i uciec z atmosfery.
Przeciwne ładunki się przyciągają, zatem im więcej ujemnie naładowanych elektronów opuszcza atmosferę, tym więcej ciągną one za sobą jonów naładowanych dodatnio.
W ekosferze Proximy Centauri, Proxima b napotyka uderzenia silnego promieniowania ultrafioletowego setki razy intensywniejsze od tych, których Ziemia otrzymuje ze Słońca. Promieniowanie to generuje wystarczająco dużo energii, aby wywiewać nie tylko najlżejsze cząstki wodoru lecz także, z czasem, cięższe pierwiastki takie jak tlen czy azot.
Model wskazuje, że intensywne promieniowanie ze strony Proxima Centauri wywiewa atmosferę podobną do ziemskiej nawet 10 000 razy szybciej niż ma to miejsce na Ziemi.
„To były proste obliczenia oparte na średniej aktywności gwiazdy macierzystej”, mówi Garcia-Sage. „Nie uwzględniają one wariacji takich jak ekstremalne ogrzewanie w atmosferze gwiazdy czy gwałtowne gwiezdne zaburzenia pola magnetycznego egzoplanety – czyli elementów, które mogą dostarczać dodatkowych ilości promieniowania jonizującego tym samym przyspieszając wywiewanie atmosfery.
Aby zrozumieć zróżnicowanie intensywności tego procesu, naukowcy przyjrzeli się dwóm innym czynnikom wpływającym na utratę atmosfery. Najpierw rozważyli temperaturę obojętnej atmosfery, tak zwanej termosfery. Okazało się, że wraz z ogrzewaniem termosfery przez większe ilości promieniowania gwiezdnego, tempo ucieczki atmosfery także wzrasta.
Naukowcy przyjrzeli się także rozmiarom obszarów, nad którym dochodzi do utraty atmosfery – czyli czap polarnych. Planety najbardziej wystawione są na efekty magnetyczne właśnie w pobliżu biegunów magnetycznych. Gdy linie pola magnetycznego na biegunach są zamknięte, czapy polarne są ograniczone, a naładowane cząstki pozostają uwięzione w pobliżu planety. Z drugiej strony, większe tempo ucieczki atmosfery ma miejsce gdy linie pola magnetycznego są otwarte tworząc swego rodzaju jednokierunkową drogę w przestrzeń kosmiczną.
„Nasze badania skupiają się na niedocenianym aspekcie poszukiwania życia w przestrzeni kosmicznej, tj. utraty atmosfer wskutek aktywności gwiazd macierzystych”, mówi Shawn Domagal-Goldman, naukowiec z Goddard niebiorący udziału w badaniach.
Naukowcy wykazali, że przy najwyższych temperaturach termosfery i całkowicie otwartym polu magnetycznym Proxima b mogłaby utracić całość ziemskiej atmosfery w ciągu zaledwie 100 milionów lat – a to przecież tylko niewielka część wieku Proximy b, który szacowany jest na 4 miliardy lat. Przy założeniu najniższych temperatur termosfery i zamkniętego pola magnetycznego, ta sama ilość atmosfery wywiewana jest w ciągu 2 miliardów lat.
„Interesującym celem badań są planety, które są w stanie utrzymać swoje atmosfery, jednak tempo utraty atmosfery w przypadku Proximy b jest tak wysokie, że powstanie na niej życia jest nierealne”, mówi Jeremy Drake, astrofizyk z CfA i współautor opracowania. „To kwestia istotna dla możliwości istnienia życia na planetach krążących wokół wszystkich czerwonych karłów”.
Czerwone karły takie jak Proxima Centauri czy TRAPPIST-1 są częstym celem dla poszukiwaczy egzoplanet ponieważ są one najmniejszymi, najchłodniejszymi i najpowszechniejszymi gwiazdami w galaktyce. Zważając na fakt, że są to gwiazdy chłodniejsze i ciemniejsze niż inne, to planety muszą znajdować się bardzo blisko nich, aby utrzymać na swojej powierzchni wodę w stanie ciekłym.
Jednak jeżeli proces utraty atmosfery nie jest bilansowany przez inny proces – np. intensywna aktywność wulkaniczna lub bombardowanie kometami – ta bliskość wydaje się wykluczać dłuższe przetrwanie atmosfery pozwalającej na rozwinięcie się życia.
Źródło: NASA Goddard Space Flight Center