Wetenschappers van de University of California Riverside hebben een belangrijke doorbraak geboekt in het zoeken naar bewoonbare planeten buiten ons zonnestelsel. Volgens arxiv.org bestaat er een duidelijke ondergrens voor de grootte van planeten die een atmosfeer kunnen vasthouden: ongeveer 0,8 keer de straal van de Aarde.
Het Smaller Than Earth Habitability Model
De onderzoekers ontwikkelden het Smaller Than Earth Habitability Model (STEHM) om te bepalen hoe klein een planeet kan zijn en toch een atmosfeer kan behouden gedurende miljarden jaren. Het model analyseert planeten met een straal tussen 0,5 en 1,0 keer die van de Aarde, die zich in de bewoonbare zone van een zonachtige ster bevinden.
Volgens universetoday.com toont het onderzoek aan dat planeten met een straal van 0,8 keer de Aarde of groter hun atmosfeer miljarden jaren kunnen vasthouden, terwijl kleinere planeten deze onvermijdelijk verliezen aan de extreme ultraviolette straling van hun moederster.
Twee cruciale obstakels voor kleine planeten
Het onderzoek identificeert twee fundamentele problemen waarmee kleine planeten te maken krijgen bij het behouden van een atmosfeer. Het eerste obstakel is de zwaartekracht. Kleinere planeten hebben minder massa en dus een lagere ontsnappingssnelheid, waardoor atmosferische deeltjes met hoge energie gemakkelijk de ruimte in kunnen lekken via een proces dat Jeans-ontsnapping wordt genoemd.
Het tweede obstakel is minder voor de hand liggend: interne afkoeling. Zoals arxiv.org, hebben kleinere planeten een hogere verhouding tussen oppervlakte en volume, waardoor hun binnenste sneller afkoelt dan bij grotere planeten. Wanneer de planeet afkoelt, wordt de lithosfeer (de buitenste schil) snel dikker, wat vulkanische activiteit effectief onderdrukt.
Het belang van vulkanisme
Vulkanische ontgassing van het binnenste van een planeet is een van de belangrijkste manieren om een atmosfeer op lange termijn te behouden. Minder vulkanische activiteit leidt daarom tot een veel kortere levensduur van de atmosfeer. Een planeet met een straal van 0,6 keer die van de Aarde zou bijvoorbeeld slechts enkele honderden miljoenen jaren een atmosfeer kunnen vasthouden, terwijl een planeet van 0,8 keer de Aarde dit miljarden jaren kan volhouden.
Modelaannames en beperkingen
Het STEHM-model werkt met relatief eenvoudige aannames. De onderzoekers modelleerden de planeten als zogenaamde "stagnant lid"-planeten met een enkele ongebroken korst. Ook gebruikten ze een koolstofdioxide-atmosfeer in hun berekeningen, wat mogelijk het beste scenario is voor atmosfeerbehoud omdat CO2 een zwaar molecuul is dat van nature weerstand biedt aan Jeans-ontsnapping.
Ondanks deze beperkingen toont universetoday.com een zeer duidelijke grens tussen 0,7 en 0,8 keer de straal van de Aarde. Planeten die 0,8 keer de Aarde of groter zijn, kunnen een atmosfeer miljarden jaren vasthouden, terwijl planeten van 0,7 keer de Aarde of kleiner deze onvermijdelijk verliezen.
Implicaties voor de zoektocht naar buitenaards leven
Deze bevindingen hebben belangrijke gevolgen voor de zoektocht naar bewoonbare exoplaneten. Met de huidige en toekomstige generatie telescopen kunnen astronomen steeds kleinere planeten ontdekken. Het bepalen van een ondergrens voor bewoonbaarheid helpt onderzoekers hun kostbare observatietijd te richten op de meest veelbelovende kandidaten.
De belangrijkste invloedrijke parameter voor atmosfeerbehoud blijkt de initiële koolstofinventaris van een planeet te zijn, hoewel andere factoren zoals de hoeveelheid warmteproducerende elementen en de initiële manteltemperatuur ook een rol spelen. Variaties in deze parameters kunnen er in sommige gevallen toe leiden dat planeten met een straal van 0,7 keer de Aarde hun atmosfeer kunnen behouden.
Bredere context
Dit onderzoek bouwt voort op eerdere studies naar planetaire bewoonbaarheid. harvard.edu had al aangetoond dat zelfs zeer kleine rotsachtige exoplaneten mogelijk water kunnen vasthouden, wat de traditionele opvatting over de bewoonbare zone uitbreidde.
Het nieuwe STEHM-model verfijnt dit begrip door specifiek te kijken naar de langetermijnstabiliteit van atmosferen op kleine planeten. De bevindingen suggereren dat er een fundamentele fysische grens bestaat aan hoe klein een bewoonbare planeet kan zijn, ongeacht andere gunstige omstandigheden.
Voor astronomen die op zoek zijn naar "Aarde 2.0" betekent dit dat ze zich vooral moeten richten op planeten die minstens 80 procent van de grootte van onze eigen planeet hebben om de beste kans te maken op het vinden van een wereld met een stabiele atmosfeer en mogelijk leven.