Nowe modele klimatyczne pokazują, iż życie może istnieć także poza klasyczną strefą zamieszkiwalną. Astronomowie piszą zasady od nowa.
Strefa zamieszkiwalna to obszar wokół gwiazdy, w którym na powierzchni planety może utrzymywać się ciekła woda. W Układzie Słonecznym tę złotą strefę rozciąga się mniej więcej od orbity Wenus po okolice Marsa.
Od lat to właśnie takie orbity były priorytetem przy polowaniu na egzoplanety, czyli planety krążące wokół innych gwiazd niż Słońce. Założenie było zatem proste: skoro życie, jakie znamy, potrzebuje wody w stanie ciekłym, to szukamy skalistych światów w odległościach, które dają temperatury zbliżone do ziemskich.
Problem jednak w tym, iż taka definicja jest za bardzo uproszczona. Zakłada, iż planeta ma mniej więcej ziemską atmosferę, krąży po stabilnej orbicie i równomiernie ogrzewa ją światło gwiazdy. Nowe modele klimatyczne pokazują, iż rzeczywistość bywa o wiele bardziej kreatywna – a życie mogłoby z tej kreatywności skorzystać.
Planety twarzą do gwiazdy
Podstawą nowych badań są planety pływowo związane ze swoimi gwiazdami, czyli takie, które zawsze pokazuje gwieździe tę samą półkulę – tak jak Księżyc, który stale zwraca do Ziemi jedną stronę. Po jednej stronie panuje więc wieczny dzień, po drugiej wieczna noc.
Tego typu orbity są bardzo częste szczególnie wokół małych, chłodnych gwiazd typu M i K. Są to tzw. czerwone karły i nieco większe, pomarańczowe gwiazdy, które stanowią większość gwiazd w naszej Galaktyce. W dodatku ich strefa zamieszkiwalna leży blisko gwiazdy, więc planety krążą gwałtownie i bardzo łatwo zatrzaskują się w takim pływowym ułożeniu.
Na pierwszy rzut oka wydaje się, iż to koszmarem dla potencjalnego życia: jedna strona planety może rozgrzewać się do ekstremalnych temperatur, druga pogrąża się w mroźnej ciemności. Naukowcy obawiali się, iż po ciemnej stronie atmosfera może wręcz zamarzać i się zapadać, a woda (jeśli w ogóle była) ucieknie w kosmos.
Nowe modele klimatyczne pokazują jednak coś zupełnie innego. Okazuje się, iż o ile planeta ma wystarczająco gęstą atmosferę albo globalny ocean, wiatr i prądy morskie działają jak gigantyczna taśma transportująca ciepło. Ogrzane powietrze z dziennej półkuli jest przenoszone nad stronę nocną, gdzie się ochładza, by potem wrócić. W efekcie temperatura między strefą dzienną i nocną może się wyrównać na tyle, by po ciemnej półkuli – a przynajmniej w strefie przejściowej między dniem i nocą – woda pozostawała ciekła.
Co ważne, nowe modele analityczne pokazują, iż takie planety mogłyby utrzymywać oceany, choćby jeżeli krążą bliżej gwiazdy, niż wyznacza tradycyjny wewnętrzny brzeg strefy zamieszkiwalnej. Atmosfera działa więc jak filtr i regulator, czyli blokuje część promieniowania, rozprowadza energię, a czasem pozwala ukryć wodę po stronie nocnej, niczym w cieniu parasola.
James Webb podgląda parę wodną tam, gdzie teoretycznie nie powinno jej być
Te teoretyczne rozważania są w pewnym sensie potwierdzone dzięki obserwacjom teleskopu Jamesa Webba. Ten instrument, pracujący głównie w podczerwieni, mierzy tzw. widma transmisyjne atmosfer egzoplanet, czyli ściślej mówiąc, analizuje, jakie barwy światła gwiazdy są wygryzane przez gaz otaczający planetę, kiedy ta przechodzi na tle swojej gwiazdy.
To właśnie w takich widmach pojawiły się widoczne ślady pary wodnej i innych lotnych związków w atmosferach planet krążących bardzo blisko gwiazd typu M. Są to często tzw. superziemie, czyli światy większe od Ziemi, ale mniejsze od Neptuna, o temperaturach zdecydowanie wyższych niż u nas. Według klasycznej definicji strefy zamieszkiwalnej takie planety powinny mieć dawno utraconą wodę i atmosferę.
Tymczasem obserwacje sugerują, iż w pewnych warunkach ich powłoki gazowe mogą być trwalsze niż do tej pory sądziliśmy. jeżeli dodać do tego efektywne mieszanie ciepła między stroną dzienną i nocną oraz możliwość istnienia tzw. strefy terminatora, czyli wąskiego pasa wiecznego półmroku, gdzie temperatura jest umiarkowana, to okazuje się, iż granica zbyt blisko gwiazdy staje się bardzo płynna.
Oznacza to, iż część planet, które dziś automatycznie skreślamy jako zbyt gorące, w bardziej wyrafinowanych modelach może wrócić do gry jako potencjalnie interesujące cele w poszukiwaniu biosygnatur, czyli chemicznych śladów życia w atmosferach.
Zimne światy z gorącym wnętrzem. Życie pod lodem daleko od gwiazdy
Druga strona rewolucji dotyczy tego, co dzieje się na zimnych rubieżach układów planetarnych. Klasyczna strefa zamieszkiwalna kończy się tam, gdzie woda na powierzchni na dobre zamarza. A co, jeżeli życie wcale nie potrzebuje odsłoniętych oceanów i plaż?
W Układzie Słonecznym mamy już solidne poszlaki, iż pod grubą skorupą lodu mogą kryć się gigantyczne, słone oceany. Tak interpretujemy dane z sond badających księżyce Jowisza, jak Europa czy Ganimedes, oraz księżyc Saturna, Enceladusa. Tam energii dostarcza nie światło słoneczne, ale ogrzewanie pływowe, czyli tarcie we wnętrzu ciała niebieskiego wywołane zmiennym przyciąganiem grawitacyjnym. Dodatkowym źródłem ciepła może być także promieniotwórczy rozpad pierwiastków w skałach.
Nowe analizy pokazują, iż podobny mechanizm można spokojnie przenieść na egzoplanety krążące daleko od swoich gwiazd. choćby jeżeli na powierzchni panuje mróz, to pod kilkukilometrową warstwą lodu mogą istnieć stabilne zbiorniki ciekłej wody. To, iż nie świeci tam słońce, nie musi być problemem, bo na Ziemi znamy ekosystemy oparte nie na energii światła, ale na energii chemicznej – choćby przy kominach hydrotermalnych na dnie oceanów.
Autorzy nowych modeli podkreślają, iż jeżeli zdefiniujemy zamieszkiwalność szerzej niż do tej pory – jako możliwość istnienia długotrwale stabilnego środowiska z wodą w stanie ciekłym, źródłem energii i zestawem pierwiastków potrzebnych chemii życia – to klasyczna strefa zamieszkiwalna wokół gwiazdy gwałtownie okazuje się tylko jednym z wielu scenariuszy.
Polowanie na obcych zaczyna mieć sens
Nowe modele klimatyczne i obserwacje z teleskopu Jamesa Webba podkopują wygodną, ale zbyt prostą definicję strefy zamieszkiwalnej. Zamiast jednej złotej odległości mamy cały wachlarz możliwości, w których woda może pozostać ciekła – bliżej i dalej od gwiazdy, na powierzchni i pod lodem, w wiecznym dniu i w wiecznej nocy.
To dobra wiadomość dla wszystkich, którzy trzymają kciuki za odkrycie obcego życia. Wszechświat nie wydaje się już zbiorem kilku rzadkich, przyjaznych oaz w morzu jałowych skał, ale raczej archipelagiem przeróżnych nisz, w których chemia może przez miliony lat próbować różnych rozwiązań.
Zła wiadomość jest taka, iż polowanie na obcych staje się logistycznie trudniejsze, bo zamiast wąskiej listy ziem podobnych do Ziemi dostajemy znacznie dłuższy katalog kandydatów. Ale z punktu widzenia nauki to właśnie najlepszy możliwy scenariusz. Im szersze mamy spojrzenie na to, gdzie życie mogłoby się rozwinąć, tym większa szansa, iż w końcu trafimy na miejsce, w którym rzeczywiście to zrobiło.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
