Vodonik u atmosferama može održati egzomese pogodnim za život i do 4,3 milijarde godina

Postoje planete koje ne pripadaju nijednoj zvezdi — izbačene su iz svojih sistema tokom haosa formiranja i sada lutaju tamnim prostranstvima Mlečnog puta bez sunčeve svetlosti. Novi rad istraživača iz Excellence Cluster ORIGINS (LMU) i Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics pokazuje da meseci koji kruže oko takvih slobodno lebdećih planeta mogu zadržati površinske okeane tečne vode milijardama godina ako imaju guste atmosfere bogate vodonikom.

Left: Evolution of the pressure-temperature profile T(P) with the radiative-convective boundary (RCB) of the last step. Right: Final VMR profiles of all molecules with a maximum VMR>10−12. (CREDIT: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)

Kako to funkcioniše

Izbačena planeta često zadržava neke svoje mesece, ali njihove orbite postanu vrlo ekscentrične — dugačke elipse koje mesece navode da se naizmenično približavaju i udaljavaju od planete. To izaziva plimno (tidalno) grejanje: unutrašnjost meseca se deformiše i u tom procesu nastaje trenje koje zagreva stene i eventualno unutrašnje okeane. U našem Sunčevom sistemu Io je primer ekstremnog plimnog grejanja, a Europa verovatno ima podzemni okean zahvaljujući istom mehanizmu.

Surface temperatures Tsurf (𝑋C+O, C/O) for varying Psurf (from left to right: 1, 10, and 100bar). (CREDIT: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)

Uloga vodonika

Sama proizvodnja toplote nije dovoljna — neophodna je atmosfera koja će tu toplotu zadržati. Raniji modeli su se oslanjali na ugljen-dioksid, ali CO2 lako kondenzuje i zamrzava u hladnim uslovima, čime gubi izolacionu sposobnost. Vodonik, međutim, ne kondenzuje pri tim temperaturama i pod visokim pritiscima postaje efikasan u zadržavanju infracrvenog zračenja zahvaljujući fenomenu zvanom collision-induced absorption (apsorpcija izazvana sudarima molekula). Kada je atmosfera dovoljno gusta, vodonik funkcioniše kao dugotrajna termoizolacija.

The surface temperature Tsurf is increasing with the tidally provided internal temperature Tint for Earth vs. Io-like gravity for 𝑋C+O=10−2 and C/O=0.59. (CREDIT: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)

Modeli i glavni rezultati

Tim na čelu sa Davidom Dahlbüddingom koristio je upareni model radiativnog transfera i atmosferske hemije da testira scenarije sa različitim površinskim pritiscima i unutrašnjim izvorima toplote. Ključni nalazi su:

Updated time spent in the habitable zone for 𝑋C+O =10−2 and C/O=0.59 using the semi-major axis and eccentricity distribution and their evolution for Earth-mass moons. (CREDIT: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)

• Pri 100 bara površinskog pritiska modeli ukazuju na održive uslove sa tečnom vodom do 4,3 milijarde godina.
• Pri 10 bara, maksimalni period pogodnosti iznosi oko 699 miliona godina.
• Čak i pri 1 baru, u ~20% modeliranih orbita zabeležen je bar privremeni period sa uslovima za tečnu vodu.
• Od 6.945 simuliranih mesečevih orbita koje su preživele izbacivanje planete, 43% je barem jednom dostiglo pogodnost u scenariju sa 100 bara.

Mogući putevi ka hemiji života

Pored termičke zaštite, vodonične atmosfere i plimni ritmovi mogu stvoriti uslove pogodne za prebiotsku hemiju. Na mesečevima sa plitkim okeanima i izloženim kopnom, naizmenični ciklusi isparavanja i ponovnog taloženja (mokro‑suvih ciklusa) potencijalno koncentršu gradivne blokove i omogućavaju duži rast RNA-like polimera. Analize tima pokazuju i da bi amonijak, koji se prirodno može formirati u azot‑vodonikovim atmosferama, mogao obezbediti alkalnije uslove povoljne za polimerizaciju i replikaciju molekula.

Ograničenja i neizvesnosti

Iako su rezultati ohrabrujući, autori ističu nekoliko važnih ograničenja modela:

• Modeli su pretpostavili suvu atmosferu i nisu uključili formiranje oblaka, što bi moglo dodatno zadržati toplotu i produžiti period pogodnosti.
• Deblji površinski okeani mogu ubrzati kruženje ka kružnijim orbitama (circularizaciju), čime se smanjuje plimno grejanje i skraćuje prozor pogodnosti.
• Neizvesno je da li mesečevi male mase mogu zadržati guste vodoničke atmosfere tokom geoloških vremenskih perioda zbog gubitka atmosfere i uticaja zračenja.

Autori naglašavaju da su dobijeni vremenski periodi verovatno donje granice — u nekim realističnim uslovima životni periodi mogu biti duži, ali i kraći, zavisno od dodatnih procesa.

Zašto je ovo važno

Tradicionalna potraga za životom fokusirala se na zvezdnu nastanjivu zonu, ali ovo istraživanje pokazuje da površinski okeani na mesecima mogu postojati i daleko od bilo koje zvezde, pokretani unutrašnjom toplotom i izolovani gustim vodoničnim atmosferama. To širi spektar tela koja mogu biti pogodni za život i sugeriše da galaksija možda krije mnogo više lokacija sa potencijalom za biologiju nego što je ranije mislimo.

Gde dalje tražiti

Direktno otkrivanje egzomeseva oko slobodno lebdećih planeta trenutno je izvan domašaja postojećih instrumenata, ali buduće misije za tranzitna posmatranja i mikrolensing mogu identifikovati slobodno lebdeće planete i eventualno njihove mesece. Rad je objavljen u časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, a pruža teorijski okvir za buduća opažanja.

Kako je rekao David Dahlbüdding: „Kolijevka života ne mora nužno da zahteva sunce.“