Földi klímamodellekkel a lakható bolygók nyomában

4021

A NASA Goddard Űrközpontjának egyik teljesen átlagos téglaépületében több ezer számítógép dolgozik együtt, zümmög kitartóan éjjel-nappal. Az úgynevezett Discover szuperszámítógép másodpercenként 7 kvadrillió műveletet végez el. Az a feladata, hogy kifinomult klímamodellekkel számítsa ki a Föld várható klímaváltozásait.

Most azonban más feladatot is kapott: ki kell derítenie, hogy az elmúlt két évtizedben felfedezett több mint négyezer, a Naprendszeren kívül található bolygó alkalmas-e az életre. A kutatók szerint igen meglepő, a Földtől nagyon eltérő feltételek mellett is találhatunk ilyen bolygót. Lehetséges, hogy az életre alkalmas világokról alkotott elképzeléseink túlságosan korlátozottak?

Az új generációs földi teleszkópok és űrtávcsövek talán megoldják egyszer a rejtélyt. Ezekkel a műszerekkel a csillagászok elemezhetik majd a legizgalmasabb exobolygók, a Földhöz hasonló kőzetbolygók légkörét, amelyek felszínén az élet egyik legelemibb feltétele, folyékony víz lehet jelen.

Művészi illusztráció egy exobolygóról. (Forrás: NASA Goddard Space Flight Center/Chris Smith)

Egyelőre nehéz ezeket a távoli légköröket vizsgálni. Napjaink technológiájával egy űreszköznek 75 ezer évig tartana, hogy elérje a legközelebbi exobolygót. De még a legnagyobb távcsövekkel is lehetetlen közvetlen adatokhoz jutni, mert az exobolygók túl kicsik, és a csillagukhoz képest nagyon halványak, pedig azokból megismerhetnénk a légkör kémiai összetételét. Olyan feladat ez, mintha Washingtonból akarnánk megfigyelni egy szentjánosbogarat, ami egy Los Angeles melletti zseblámpa fényében repked. Éppen ezért olyan fontos az éghajlati modellek szerepe – mutatott rá Karl Stepelfeldt, a NASA exobolygókutatója. „A modellek konkrét, tesztelhető előrejelzéseket adnak arról, hogy mit kéne látnunk.” – mondta. „Ezek nagyon fontosak a jövőbeli távcsövek megtervezéséhez és új észlelési stratégiák kialakításához.”

Induljunk ki a Naprendszerből?

A kozmoszt vizsgáló nagy földi és űrtávcsövekkel a csillagászok elképzelhetetlenül sokféle távoli világot fedeztek fel.

„A kutatók hosszú időn át a Naprendszerhez és a Földhöz hasonló rendszereket, égitesteket kerestek. Ezeket ismertük.” – mondta Elisa Quintana, a NASA asztrofizikusa. „De aztán rájöttünk, hogy őrülten sokféle bolygó létezik. Találtunk olyan kicsi bolygókat, mint a Hold. Találtunk óriásbolygókat, és olyanokat is, amelyek apró csillagok, óriáscsillagok vagy éppen több csillag körül keringenek.”

Az az igazság, hogy a legtöbb exobolygó, amit eddig találtak, példa nélkül áll a mi Naprendszerünkben. Méretük a Föld és az Uránusz közé esik. Ez utóbbi gázóriás négyszer nagyobb bolygónknál.

Amikor egy bolygó elhalad köztünk és a csillaga között, úgy látjuk, hogy a csillag fénye gyengül, mert a bolygó kitakarja a fény egy részét. A csillag fényességcsökkenéseinek vizsgálatát hívják tranzit módszernek. Ez az egyik módja az exobolygók felfedezésének. A kutatók az adatokból készítenek egy diagramot, az úgynevezett fénygörbét. Ennek segítségével megnézhetjük, hogy a csillag fényének hány százalékát takarja ki a bolygó, és mennyi idő alatt halad el a planéta a csillag előtt. Ebből az információból megbecsülhetjük a bolygó csillagtól való távolságát és tömegét. (Forrás: NASA’s Goddard Space Flight Center)

Olyan bolygókat, amelyek mérete hasonló a Földéhez, és elméletben lakhatók, eddig csak vörös törpecsillagok körül találtak. Ezek a csillagok gyakoriak a galaxisunkban, és mivel kisebbek és halványabbak a Napnál, könnyebb észlelnünk a körülöttük keringő planétákat.

Mivel a vörös törpék kis méretűek, a bolygóknak kényelmetlenül közel kell keringeniük hozzá, közelebb, mint a Merkúr a Naphoz, hogy a tömegvonzás pályán tartsa őket. És mivel a vörös törpék hűvösebbek, mint más csillagok, a bolygóknak közelebb kell lenniük ahhoz, hogy a víz folyékony halmazállapotban megmaradhasson a felszínükön.

2014-ben a NASA Swift űrtávcsöve hatalmas röntgenkitörések sorozatát észlelte a DG CVn jelzésű, két vörös törpecsillagból álló kettős rendszerből, amely a fenti illusztráción látható. A csúcson a fler röntgenintenzitása nagyobb volt, mint a kettős rendszer többi hullámhossztartományban kibocsátott összes energiája. (Forrás: NASA’s Goddard Space Flight Center)

A nemrégiben felfedezett Proxima Centauri b jelzésű exobolygó is egy vörös törpe rendszerben található. Ez a hozzánk legközelebbi ismert exobolygó. A közeli TRAPPIST-1 rendszerben szintén van hét kőzetbolygó. Még rejtély, hogy ezek alkalmasak-e az életre. A kutatók korábban rámutattak, hogy a vörös törpék akár 500-szor károsabb ultraibolya- és röntgensugárzást bocsáthatnak ki, mint a Nap. Ennek hatására a bolygók légköre megsemmisül, az óceánok elpárolognak, és a DNS megsül.

De az is lehet, hogy mégsem így van. A földi éghajlati modellek azt mutatják, hogy a vörös törpék kőzetbolygói a sugárzás ellenére is lakhatóak lehetnek.

A trükk a felhőkben rejlik

Anthony Del Genio a NASA nemrég nyugdíjazott planetológusa aktív éveiben a földi klímával és más bolygók, így a Proxima Centauri b éghajlatával foglalkozott. Del Genio kutatócsoportja lehetséges éghajlatmodelleket állított fel a Proxima Centauri b-re, hogy kiderüljön, milyen feltételek mellett marad elég meleg és nedves a bolygó. A modellek segítségével a kutatók kiválaszthatják azokat a bolygókat, amelyeket érdemes lesz tanulmányozni a leendő James Webb-űrtávcsővel.

„Azt nem tudjuk megmondani az észlelőknek, hogy egy bolygó lakható-e, de azt igen, hogy beleesik-e abba a középső tartományba, ahol az esélyes jelöltek vannak.” – mondta Del Genio.

A Proxima Centauri b jelzésű bolygó a Proxima Centauri körül kering egy hármascsillag-rendszerben, alig 4,2 fényév távolságra tőlünk. Ennél többet nem nagyon tudunk róla. Becsült tömege alapján kicsit nagyobb a Földnél, ezért úgy gondolják, hogy kőzetbolygó.

Az csak a probléma vele, hogy 20-szor közelebb van a csillagához, mint a Föld a Naphoz, így csupán 11,2 nap alatt kerüli meg azt. A kutatók szerint a bolygó kötött keringésű, így mindig ugyanazt az oldalát mutatja a csillag felé, akárcsak a Hold a Föld felé. Ha ez igaz, akkor a Proxima Centauri b egyik oldala folyamatosan ki van téve a csillag erős sugárzásának, míg a másik oldala fagyott és állandóan sötét. A körülmények egyik oldalon sem felelnek meg az élet feltételeinek.

Del Genio szimulációi azonban azt mutatják, hogy a Proxima Centauri b-hez hasonló jellegzetességekkel bíró bolygók is lehetnek lakhatóak. „A felhők és óceánok kulcsfontosságú szerepet játszanak ebben.” – mondta Del Genio.

A kutatócsoport továbbfejlesztett egy Földklíma-modellt, amelyet az 1970-es években alkottak meg, így jött létre a ROCKE-3D elnevezésű planetáris szimulátor. Az, hogy van-e a Proxima Centauri b-nek légköre, még nyitott kérdés, amelyet remélhetőleg a jövőbeni távcsövek megválaszolnak. Del Genio csapata azonban arra jutott, hogy van.

Részlet a FORTRAN nyelvben írt ROCKE-3D modellből, amely a csillag körül keringő bolygó pályájának részleteit számítja ki. Az eredeti Föld-modellt úgy módosították, hogy bármilyen pályán keringő bármilyen bolygót tudjon kezelni, még a kötött keringésű planétákat is, amelyeknek mindig ugyanaz az oldala fordul a csillag felé. Ezzel a kóddal kiszámítható, hogy a csillag milyen magasan látszik a bolygó egén egy adott helyen és adott pillanatban, milyen erősen melegíti a bolygót, milyen hosszúak a planétán a nappalok és az éjjelek, illetve vannak-e évszakok, és ha igen, milyenek. (Forrás: NASA’s Goddard Institute for Space Studies/Anthony Del Genio)

A kutatócsoport minden szimulációnál változtatott a Proxima Centauri b légkörében található üvegházhatású gázok típusain és mennyiségén. Változtattak a bolygó óceánjainak mélységén, kiterjedésén és sótartalmán is, valamint állítottak a szárazföld és a vízfelület arányán, hogy lássák, mennyiben befolyásolják ezek az apró változások a bolygó éghajlatát.

A ROCKE-3D-hez hasonló modellekben csak az exobolygók legfontosabb adatait kell ismernünk: a méretüket, a tömegüket és a csillaguktól való távolságukat. Ezeket onnan tudhatjuk meg, hogy megfigyeljük a csillag fényességcsökkenését, amikor a bolygó elhalad előtte, vagy megmérjük a csillag apró elmozdulásait, amelyeket a körülötte keringő bolygó gravitációs vonzása kelt.

Az apró részletek segítenek felépíteni az akár egymillió sornyi számítógépes kódot tartalmazó éghajlati modelleket. A kód arra utasítja a NASA Discoverjéhez hasonló számítógépeket, hogy a természeti törvényeket alkalmazza a globális éghajlati rendszerek szimulációjakor. Az éghajlati modellek egyebek mellett figyelembe veszik, hogy a felhők és az óceánok hogyan áramolnak és lépnek kölcsönhatásba egymással, illetve hogyan hat a csillag sugárzása a bolygó légkörére és felszínére.

Amikor a kutatócsoport a Discover szuperszámítógépen lefuttatta a ROCKE-3D-t, azt találták, hogy a Proxima Centauri b feltételezett felhői úgy viselkednek, mint egy óriás napernyő – visszaverik a sugárzást. Ez némiképp lecsökkentheti a hőmérsékletet a bolygó napos oldalán. Egyes kutatók szerint a Proxima Centauri b-n hatalmas felhők keletkezhetnek.

„Ha egy bolygó kötött pályán kering, és lassan forog a tengelye körül, akkor a csillag felőli oldalán a felhők kör alakban alakulnak ki. Ennek oka az úgynevezett Coriolis-hatás, amely áramlást hoz létre a csillag által melegített légkörben.” – mondta Ravi Koppapapu (NASA). „A modellünk alapján a Proxima Centauri b így nézhet ki.”

Amellett, hogy a Proxima Centauri b napos oldalán mérséklődik a hőmérséklet, a légkör és az óceán áramlása a vizet és a meleg levegőt körbeáramoltathatja a bolygón, ezáltal hőt szállítva a hideg oldalra. „Nemcsak arról van szó, hogy a légkör nem fagy ki az éjszakai oldalon, de létrejöhetnek olyan területek is, ahol a víz folyékony állapotban megmaradhat a felszínen. Még akkor is, ha ezeket a területeket nem éri fény.” – mondta Del Genio.

Vessünk még egy pillantást a régi modellünkre!

Amellett, hogy elősegíti a hő megmaradását és áramlását, a légkör oszlatja szét az életet tápláló, vagy az életformák által termelt gázokat. Az életnek ezen építőkövei után kutatnak a csillagászok az exobolygók légkörében. Azt, hogy pontosan mit keressenek, még nem tudják.

Földünk az egyetlen kiindulópont, ha az élet nyomait tartalmazó légkör kémiájára vagyunk kíváncsiak. De óvatosnak kell lennünk, amikor a Föld kémiáját alkalmazzuk mintaként a galaxis többi részére. Giada Arney (NASA) kutatásai azt mutatják, hogy még az olyan egyszerű elemek is, mint az oxigén – ami a növényi élet és a fotoszintézis alapvető jele a Földön – rejthetnek meglepetést.

Az űrből egyedülálló módon tekinthetünk a Földre: nemcsak a kontinenseket és óceánokat figyelhetjük meg, de az itt élő szervezeteket is. (Forrás: NASA’s Goddard Space Flight Center)

Arney munkája érdekes eredménnyel zárult. Ha egy idegen civilizáció néhány milliárd éve a Föld felé irányította volna a távcsöveit abban a reményben, hogy egy oxigénben úszó kék bolygót találnak, csalódtak volna. 3,8–2,5 milliárd évvel ezelőtt oxigén helyett inkább metánt kellett volna keresni az élet nyomai után kutatva. Ezt az anyagot hozták létre nagy mennyiségben az ősi óceánokban élő mikroorganizmusok.

„Az az érdekes ebben a földtörténeti korban, hogy a Föld nagyon földönkívüli hely volt a mai állapotához képest.” – mondta Arney. „Még nem volt oxigén, így a bolygó nem egy halványkék pont, hanem egy sápadt narancssárga pont volt.” – mondta a kutató arra utalva, hogy a korai Föld nagy részét a metán narancssárga köde boríthatta. Arney szerint az ilyen eredmények „kiszélesítették a látókörünket arra vonatkozóan, hogy mi lehetséges az exobolygókon”.

Egy terv kidolgozása a légkörvadászok számára

Bár az éghajlati modellekből levont tanulságok egyelőre elméleti jellegűek, hiszen a kutatóknak nem volt lehetőségük bizonyítani őket, egy terv készen áll a jövőbeni megfigyelésekhez.

Az éghajlati modellek egyik fő célja az olyan, ígéretes exobolygók azonosítása, amelyeket érdemes lesz a Webb-űrtávcsővel és más teleszkópokkal vizsgálni, hogy a kutatók ne pazarolják el a drága távcsőidőket. Ezenkívül a szimulációkkal létrehozhatnak egy katalógust azokról a kémiai nyomjelzőkről, amelyeket egy nap majd érzékelni tudunk. Egy ilyen adatbázissal gyorsan meg tudjuk határozni a kérdéses planéta típusát, és el tudjuk dönteni, hogy érdemes-e tovább vizsgálni.

Távoli bolygókon életre bukkanni a szerencsétől függ. Del Genio szerint „ha bölcsen akarunk észlelni, akkor a klímamodellekből kell ötletet merítenünk, csak ez növeli az esélyeket.”

Forrás: NASA

 

Hozzászólás

hozzászólás