Situat în centrul Centrului NASA pentru Simulare Climatică (NCCS) - parte a Centrului de zbor spațial Goddard al NASA - se află supercomputerul Discover, un grup de 129.000 de nuclee de procesoare bazate pe Linux. Acest supercomputer, care este capabil să efectueze 6.8 petaflops (6,8 trilioane) operațiuni pe secundă, are sarcina de a rula modele climatice sofisticate pentru a prezice cum va arăta climatul Pământului în viitor.
Cu toate acestea, NCCS a început să dedice o parte din puterea de supercomputare a Descoperirii pentru a prezice ce condiții ar putea fi pe oricare dintre cele peste 4.000 de planete care au fost descoperite dincolo de sistemul nostru solar. Nu numai că aceste simulări au arătat că multe dintre aceste planete ar putea fi locuibile, ci sunt o dovadă suplimentară că noțiunile noastre de „locuință” ar putea folosi o regândire.
În ciuda numărului mare de descoperiri ale exoplanetelor care au avut loc în ultimul deceniu sau mai mult, oamenii de știință sunt încă nevoiți să se bazeze pe modelele climatice pentru a determina care dintre ele ar putea fi „potențial locuibile”. În prezent, explorarea acestor planete prin intermediul navei spațiale este complet imposibilă din cauza distanțelor pure implicate.
Așa cum am abordat într-un articol anterior, ar fi nevoie de între 19.000 și 81.000 de ani pentru a ajunge la cel mai apropiat sistem stelar (Alpha Centauri) folosind metodele și tehnologia actuală. În plus, observarea directă a exoplanetelor este posibilă numai în cazuri rare, folosind telescoapele de astăzi, care implică de obicei planete masive care orbitează stelele lor la mare distanță. Aceste planete tind să fie giganti ai gazelor și, prin urmare, nu sunt candidați la locuințe.
În orice caz, astronomii au descoperit că toate planetele care au fost observate dincolo de Sistemul nostru solar au o natură destul de eclectică. În cea mai mare parte, cele 4.108 de exoplanete care au fost confirmate până în prezent au fost fie giganți de gaz asemănători Neptunului (1375), giganți de gaz ca Jupiter (1293), fie Super-Pământuri (1273). Doar 161 de exoplanete au fost de natură terestră (de asemenea, stâncoase sau „asemănătoare Pământului”), toate găsite în jurul stelelor de tip M (pitic roșu).
După cum a explicat Elisa Quintana - un astrofizicist NASA Goddard care a condus echipa responsabilă pentru descoperirea din 2014 a Kepler-186f, prima planetă de dimensiune a Pământului dintr-o zonă locuibilă (HZ) - a explicat:
„Multă vreme, oamenii de știință au fost cu adevărat concentrați pe găsirea unor sisteme asemănătoare Soarelui și Pământului. Tot ce știam. Dar am aflat că există toată această diversitate nebună în planete. Am găsit planete la fel de mici ca Luna. Am găsit planete uriașe. Și am găsit câteva care orbitează stele minuscule, stele uriașe și mai multe stele. ”
Descoperirea planetelor terestre care orbitau în HZ-urile piticilor roșii a fost inițial o sursă de mare emoție. Nu numai că aceste stele sunt cele mai frecvente în Universul nostru - reprezentând 85% din stele numai pe Calea Lactee - dar mai multe au fost găsite pentru a orbita stele care se află în imediata apropiere a Sistemului Solar.
Aceasta include cele trei planete care orbitează în HZ-ul TRAPPIST-1 (la 39.46 ani-lumină distanță) și Proxima b, cel mai apropiat exoplanet de Pământ (la 4,24 ani-lumină distanță). Din păcate, în ultimii ani au fost efectuate numeroase studii care au indicat că aceste planete ar fi greu să mențină o atmosferă viabilă în timp.
Mai bine spus, faptul că sunt mai mici și mai reci înseamnă că piticii roșii au HZ-uri care sunt mult mai aproape de suprafețele lor. Acest lucru înseamnă că orice planetă care orbitează cu HZ-ul unei pitici roșii este probabil blocată în ordine cu ele, ceea ce înseamnă că o parte este orientată în permanență spre stea și la capătul primitor al tuturor căldurii, radiațiilor și vântului solar al stelei.
Dacă aceste planete ar putea fi sau nu locuibile depinde, de aceea, de o serie de factori, precum prezența unei atmosfere dense, prezența unei magnetosfere și abundențele chimice adecvate. În loc să poată vedea direct planetele și să constate aceste ingrediente pe viață (de asemenea, biosemnature) există, oamenii de știință se bazează pe modele climatice pentru a ajuta la căutarea exoplanetelor „potențial locuibile”.
Potrivit lui Karl Stapelfeldt, omul de știință exoplanetar șef al NASA, care se bazează pe Laboratorul de Propulsie Jet, abilitatea de a modela climatul pe alte planete este absolut esențială. către viitorul explorării spațiale „Modelele fac predicții specifice și testabile despre ceea ce ar trebui să vedem”, a spus el. „Acestea sunt foarte importante pentru proiectarea viitoarelor noastre telescoape și pentru respectarea strategiilor.”
Simplu, modelarea climatică presupune crearea unei simulări a climatului Pământului (sau al altei planete), bazat pe condiții specifice și / sau schimbări de mediu. Ani de zile, această lucrare a fost realizată de Anthony Del Genio, un om de știință climateric planetar recent pensionat la Institutul Goddard pentru Studii Spațiale al NASA. În timpul carierei sale, Del Genio a efectuat simulări climatice care implică Pământ și alte planete (inclusiv Proxima b).
Pentru recapitulare, Proxima b are aproximativ aceeași dimensiune ca Pământul și de cel puțin 1,3 ori mai masiv. Își orbitează steaua (Proxima Centauri) o dată la 11,2 zile Pământ și la o distanță de 0,05 AU (5% distanța dintre Pământ și Soare). La această distanță, planeta este probabil blocată gravitațional de steaua ei, cu o parte expusă constant radiațiilor intense ale stelei, în timp ce cealaltă este supusă întunericului și temperaturilor înghețate constante.
Cu toate acestea, echipa lui Del Genio a simulat recent posibile clime pe Proxima b încă o dată pentru a testa cât de multe ar avea ca rezultat un mediu cald și umed capabil să susțină viața. Destul de interesant, aceste simulări au arătat că planetele precum Proxima b ar putea fi de fapt locuibile, în ciuda faptului că sunt blocate în ordine și că toate radiațiile de o parte sunt expuse.
Pentru a realiza aceste simulări, echipa Del Genio a folosit supercomputerul Discover pentru a rula un simulator planetar pe care l-au dezvoltat ei înșiși - numit ROCKE-3D. Acest simulator se bazează pe o versiune a modelului climatic de pe Pământ, care a fost dezvoltat pentru prima dată în anii '70, actualizat astfel încât să poată simula climele de pe alte planete, bazate în parte pe tipurile de orbite pe care le-ar putea avea și compozițiile lor atmosferice.
Pentru fiecare simulare, echipa Del Genio a modificat condițiile de pe Proxima b pentru a vedea cum ar afecta climatul său. Aceasta a inclus ajustarea tipurilor și cantităților de gaze cu efect de seră din atmosfera sa, adâncimea, dimensiunea și salinitatea oceanelor sale și raportul dintre sol și apă. De aici, ei au putut vedea cum vor circula norii și oceanele și cum ar interacționa radiațiile de la soarele planetei cu atmosfera și suprafața Proxima.
Ceea ce au descoperit a fost faptul că ipoteticul strat de nori de la Proxima ar acționa ca un scut, abătând radiația soarelui de la suprafață și scăzând temperatura pe partea orientată spre soarele Proxima. Acest lucru este în concordanță cu cercetările efectuate de oamenii de știință Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) de la NASA Goddard care au arătat cum Proxima b ar putea forma nori atât de masivi încât ar acoperi întregul cer.
După cum a explicat Ravi Kopparapu, un om de știință planetar NASA Goddard, care modelează și climatul potențial al exoplanetelor:
„Dacă o planetă este blocată gravitațional și se rotește lent pe axa ei, în fața stelei se formează un cerc de nori, îndreptându-se mereu spre ea. Acest lucru se datorează forței cunoscute sub numele de efectul Coriolis, care provoacă convecția în locația unde steaua încălzește atmosfera. Modelarea noastră arată că Proxima b ar putea arăta astfel. ”
Alături de circulația oceanică, acest cerc de nori ar însemna, de asemenea, că aerul cald și apa au putut să se deplaseze pe partea întunecată a planetei, realizând astfel transferul de căldură și făcând întreaga planetă mai ospitalieră. „Așadar, nu numai că nu păstrezi atmosfera pe timp de noapte de la îngheț, ci creezi părți pe partea de noapte care mențin efectiv apa lichidă la suprafață, chiar dacă acele părți nu văd lumină”, a spus Del Genio.
Pe lângă circulația și menținerea căldurii, atmosfera și curenții oceanici sunt, de asemenea, responsabili de distribuirea gazelor și a elementelor chimice care sunt necesare vieții așa cum o știm - de ex. gazul de oxigen, dioxidul de carbon, metanul, etc. Acestea sunt cunoscute sub numele de "biosignaturi", deoarece sunt esențiale pentru viața aici pe Pământ sau sunt asociate cu procese biologice.
Cu toate acestea, „așa cum îl știm” este cuvântul cheie aici. În prezent, Pământul rămâne singura planetă locuibilă cunoscută, iar diferitele forme de viață pe care le susține sunt singurele exemple pe care le cunoaștem. Ca atare, căutarea vieții de dincolo de Pământ se limitează în prezent la căutarea biosemnaturilor care sunt necesare pentru (și asociate) formelor de viață cunoscute. Aceasta este ceea ce noi numim „abordarea fructelor cu agățat redus”.
Ba mai mult, Pământul a evoluat considerabil în ultimii câteva miliarde de ani, la fel ca și formele de viață care l-au numit acasă. În timp ce astăzi, gazul de oxigen este esențial pentru creaturi mamifere, acesta ar fi fost toxic pentru bacteriile fotosintetice care au prosperat într-o atmosferă predominant dioxid de carbon și gaz de azot care a existat pe Pământ miliarde de ani în urmă.
Așadar, deși acest tip de modelare nu poate spune cu siguranță dacă o planetă este locuită, cu siguranță poate contribui la restrângerea căutării, arătând care sunt candidații care promit ținte pentru observațiile ulterioare. „În timp ce munca noastră nu poate spune observatorilor dacă vreo planetă este locuibilă sau nu, putem să le spunem dacă o planetă se află în mijlocul candidaților buni de a căuta mai departe”, a spus Del Genio.
Acest lucru va fi util în special în anii următori, când telescoapele de generație viitoare vor ajunge în spațiu. Printre acestea se numără James Webb Space Telescope, care este programat să se lanseze în 2021, și Telescopul spațial infraroșu Wide-Field (WFIRST), care va fi lansat în 2023. Alături de observatoarele la sol precum Extremely Large Telescope (ELT), acestea sunt instrumentele vor permite oamenilor de știință să observe direct planetele mai mici pentru prima dată.
Coronografii precum Starshade vor face, de asemenea, o mare diferență prin înecarea luminii din stele, care altfel ascunde lumina reflectată din atmosfera unei planete. Aceste și alte evoluții înseamnă că astronomii vor putea studia și atmosfera exoplanetelor stâncoase, ceea ce le va permite să spună în sfârșit cu încredere că planetele sunt „potențial locuibile”.
Asigurați-vă că consultați această animație despre cum ar putea arăta climatul Proxima, în conformitate cu echipa lui Del Genio și a Centrului de zbor spațial Goddard NASA:
