V posledních několika desetiletích se počet objevených planet mimo naši sluneční soustavu rozrostl do tisíců. V současnosti, 4 389 exoplanet potvrzeno ve 3 260 systémech, dalších 5 941 kandidátů na potvrzení čeká. Díky četným následným pozorováním a studiím se vědci naučili hodně o typech planet, které existují v našem vesmíru, o tom, jak planety vznikají a jak se vyvíjejí.
Klíčovým faktorem při tom všem je, jak se planety stávají (a zůstávají) obyvatelnými v průběhu času. Obecně platí, že astrobiologové vycházeli z předpokladu, že obyvatelnost spočívá v místě, kde planeta obíhá v systému – v rámci své mateřské hvězdy. obyvatelná zóna (HZ). Nicméně, nový výzkum týmem z Rice University naznačuje, že místo, kde se v příslušném hvězdném systému tvoří planeta, může být stejně důležité.
Studie, která byla nedávno zveřejněna v Příroda Geoscience ,vedl postgraduální student Rice Damanveer Grewal , ke kterému se připojilo několik kolegů z katedry zemských, environmentálních a planetárních věd na Rice University (včetně Rajdeep Dasgupta , Maurice Ewing profesor vědy o systémech Země v Rice). Společně se podívali za zónu hvězd Zlatovláska, aby zvážili, jak faktory podílející se na vzniku planet nakonec ovlivní obyvatelnost.
Studie vědců z Rice University ukazuje, že to, kde se planeta v hvězdném systému vytvoří, bude hrát zásadní roli v její obyvatelnosti. Kredit: Rice University/Amrita P. Vyas
HZ hvězdy (neboli zóna Zlatovlásky) v zásadě označuje oblast, kde obíhající planeta zažije podmínky dostatečně teplé, aby na jejím povrchu mohla být kapalná voda a bohatá atmosféra – klíčové ingredience pro život. Ale po zohlednění prvků, které vstupují do planetární formace, Grewal a jeho kolegové dospěli k závěru, že množství těkavých prvků, které planeta zachytí a zadrží během formování, také určí, zda se stane obyvatelnou.
Ústředním bodem je doba, kterou materiál potřebuje k akreci z cirkumsolárního disku na protoplanetu, a doba, kterou protoplaneta potřebuje, aby se diferencovala na své odlišné vrstvy (kovové jádro, silikátový plášť a kůra a atmosférický obal). Rovnováha mezi těmito dvěma procesy je rozhodující při určování toho, jaké těkavé prvky si kamenná planeta zadrží, zejména dusík, uhlík a vodu, které dávají vzniknout životu.
Pomocí vysokotlaké laboratoře Dasgupta v Rice výzkumný tým použil dusík jako proxy pro těkavé látky a simuloval, jak protoplanety podléhají diferenciaci. Zjistili, že během tohoto procesu se většina dusíku protoplanety ztrácí z pláště a uniká do atmosféry. Odtud se dusík ztrácí do vesmíru, když se protoplaneta buď ochladí, nebo se během další fáze svého růstu srazí s jinými nebeskými objekty.
Pokud však kovové jádro zadrží dostatek dusíku, může být stále dostatečně významné, aby časem pomohlo vytvořit atmosféru „jako Zemi“ (kde bude hrát důležitou roli jako nárazníkový plyn). Z toho byli vědci schopni modelovat termodynamiku a to, jak ovlivňuje distribuci dusíku mezi atmosférou protoplanety, vrstvami roztaveného oxidu křemičitého a jádrem.
Umělecký dojem z rozsahu obyvatelných zón pro různé typy hvězd. Poděkování: NASA/Kepler Mission/Dana Berry
Jak Grewal vysvětlil na Rice University tiskové prohlášení :
„Simulovali jsme podmínky vysokého tlaku a teploty tak, že jsme směs kovu obsahujícího dusík a silikátových prášků vystavili téměř 30 000násobku atmosférického tlaku a zahřáli je nad jejich bod tání. Malé kovové kuličky zapuštěné do silikátových skel získaných vzorků byly příslušnými analogy protoplanetárních jader a plášťů.
'Uvědomili jsme si, že frakcionace dusíku mezi všemi těmito zásobníky je velmi citlivá na velikost těla.' Pomocí této myšlenky bychom mohli vypočítat, jak by se dusík časem oddělil mezi různými zásobárnami protoplanetárních těles, aby se nakonec vybudovala obyvatelná planeta jako Země.
Tento výzkum má přirozeně důsledky pro naše chápání toho, jak se Země formovala před více než 4,5 miliardami let. Z jejich výsledků se zdá, že materiál z protoplanetárního disku rychle narůstal a vytvořil planetární embryo o velikosti Měsíce nebo Marsu, než dokončilo proces diferenciace a přijalo své současné kovové jádro, silikátový plášť/kůru a uspořádání plynného obalu.
Pro Sluneční soustavu jako celek odhadují, že planetární embrya se vytvořila během 1-2 milionů let po Slunci a zbývající mlhovinový materiál se zformoval do disku, který je obklopuje – mnohem dříve, než se dříve myslelo. Pokud by rychlost diferenciace byla rychlejší než rychlost akrece těchto embryí, pak by žádná z kamenných planet nenahromadila dostatek těkavých látek a Země by nevyvinula podmínky nezbytné pro život.
Umělcova představa o srážce mezi proto-Zemí a Theiou, k níž došlo před 4,5 miliardami let. Kredit: NASA
Kromě toho, že je Dasgupta profesorem vědy o systémech Země na Rice, je také hlavním řešitelem CLEVER Planets . Tento společný projekt (financovaný NASA) se věnuje zkoumání toho, jak se prvky, které jsou nezbytné pro život, mohly spojit na kamenných planetách v celém vesmíru. Jako on shrnuto :
„Naše výpočty ukazují, že vytvoření planety o velikosti Země prostřednictvím planetárních embryí, která rostla extrémně rychle, než prošla diferenciací kov-silikát, vytváří jedinečnou cestu k uspokojení zemského dusíkového rozpočtu. Tato práce ukazuje, že dusík má mnohem větší afinitu ke kovové kapalině tvořící jádro, než se dříve myslelo.
Tento nejnovější výzkum staví na předchozích zjištěních Grewal a Dagusta (a jejich kolegů), jako je studie z roku 2019, která ukázala, jak velká část těkavého obsahu na Zemi by mohla být výsledkem dopad, který dal vzniknout Měsíci . Následoval výzkum publikovaný v roce 2021, který naznačoval, že Země získával více dusíku z místních zdrojů ve Sluneční soustavě, než se kdysi věřilo.
'Ukázali jsme, že protoplanety rostoucí ve vnitřních i vnějších oblastech Sluneční soustavy akretovaly dusík a Země získávala svůj dusík akrecí protoplanet z obou těchto oblastí,' řekl Grewal o této studii, která se objevila 21. ledna.Svatý, 2021, vydání Astronomie přírody . 'Nebylo však známo, jak byl stanoven dusíkový rozpočet Země.'
Tato zjištění by mohla mít významné důsledky pro budoucí výzkum toho, jak se planetární systémy formují, vyvíjejí a případně rozvíjejí schopnost podporovat život. V nadcházejících letech by robotické mise zkoumající nejstarší objekty ve Sluneční soustavě (blízká Země, hlavní pás a trojské/řecké asteroidy) mohly poskytnout další pohled na její ranou historii – dobu, kdy byla zasazena semena životodárných prvků. na Zemi a dalších planetách.
Další čtení: Rice University , Příroda