Leitin að byggilegum hafheimum handan sólkerfisins okkar

Það lítur út fyrir að ekkert sé fyrir neðan þykku, heitu skýin sem við erum að falla í gegnum. En farðu aðeins lengra niður og útsýnið opnast til að sýna haf eins langt og augað eygir. Yfirborð hennar gufar og ber vatnsgufu til himins. Það steypist í öldurnar, það er heitt í fyrstu en kólnar þegar við förum lengra inn í myrkrið og þrýstingurinn verður gríðarlegur. Við kafum niður hundruð þúsunda metra þar til við komum að botninum þar sem í stað grjóts er hafsbotninn úr ís. Við höfum lent á vatnaheimi.

Þegar stjörnufræðingar byrjuðu að uppgötva plánetur utan sólkerfisins okkar á tíunda áratugnum, áttuðu þeir sig á því að framandi heimar koma á brautum, massa, stærðum og samsetningu. Þessar fjarreikistjörnur gætu ekki verið settar í einfaldar grýtta eða gaskenndar hópa eins og í sólkerfinu okkar. Sumt, jafnvel hefur verið gefið til kynna, gæti verið 50 prósent berg og heil 50 prósent vatn. Sendu geimfar til plánetu eins og þessa og atburðarásin sem hún myndi lenda í gæti verið svipuð og ímyndaða ferð okkar: þykkt vatnsgufuhlíf sem verndar víðáttumikið haf hundruð kílómetra djúpt, með ísköldum möttli fyrir neðan.

Lengi var talið að þessar vatnsreikistjörnur yrðu sjaldgæfar ef þær væru til. En ný innsýn hefur leitt til þess að margir stjörnufræðingar halda að þeir gætu í raun verið tiltölulega algengir – og gætu verið efnilegir staðir til að leita að framandi lífi. Hlaupið er nú hafið að finna einn.

Lífið – eins og við þekkjum það að minnsta kosti – er órjúfanlega bundið fljótandi vatni. Bestu getgátur okkar um aðstæðurnar þar sem líf varð til á jörðinni fela í sér annað hvort næringarríkar vatnslaugar á grýttu yfirborði plánetunnar okkar eða djúpsjávarvatnsloftar . Hvort heldur sem er, það varð að vera blautt. Enn þann dag í dag notar allt líf á jörðinni vatn á einhverjum tímapunkti á lífsferli sínum. Svo náið er sambandið milli vatns og lífs að leit okkar að geimverum hefur að mestu ráðist af nærveru þessarar einu einföldu sameindar: H ₂ O.

Hvað er hafheimur?

Hugmyndin um fjarreikistjörnur sem innihalda ekki aðeins vatn, heldur eru huldar í efninu, kom fyrst fram á sjónarsviðið árið 2004, þegar Alain Léger , þá við Paris-Sud háskólann í Frakklandi, og hópur alþjóðlegra vísindamanna kynntu nýja fjölskyldu af plánetur. Þessir tilgátuheimar líktust upphaflega ísrisum okkar eigin sólkerfis, Úranus og Neptúnus, sem búa yfir miklum ísgeymum. En í stað þess að vera áfram á ytri svæðum sólkerfa sinna eins og ísrisarnir okkar, fluttu hinir fræðilegu hafheimar á fyrstu stigum plánetumyndunar, þegar allt var svolítið óskipulegt.

Þessi hreyfing leiddi þá nær sólum sínum, inn á byggilegt svæði , svæðið í kringum stjörnu þar sem fljótandi vatn getur verið á yfirborði plánetunnar. Í þessari atburðarás héldu Léger og félagar hans því fram að ísgeymir plánetu gætu bráðnað og skilið eftir sig yfirborðshaf af fljótandi vatni sem gæti verið meira en 100 kílómetra djúpt. Með svo miklu vatni gæti slíkur heimur verið að blómstra af lífi. En gagnrýnendur fundu eitt stórt vandamál við hugmyndina: ef ísrisi flytur á sporbraut nær heimastjörnu sinni, þá er líklegt að hann missi lofthjúpinn og allt haf á yfirborðinu myndi að lokum gufa upp vegna hita stjörnunnar.

Líf gæti hafa komið upp nálægt vatnshitaopum, eins og þessum í Kyrrahafinu

NOAA

Um svipað leyti var könnun á sólkerfinu okkar að afhjúpa annars konar hafheim. Í gegnum Galileo leiðangur NASA , sem var í átta ár á braut um Júpíter til ársins 2003, komust plánetuvísindamenn að því að nokkur tungl Jovíu, eins og Evrópa og Ganymedes, voru að fela höf undir þykkum ísplötum . Síðan, árið 2005, fann Cassini geimfar NASA vísbendingar um að vatnsstrókur gjósi frá Enceladus, tungli Satúrnusar.

Það sem aðgreinir þessi tungl frá þeim heimum sem Léger og félagar hans stinga upp á er að vatn þeirra er ekki á yfirborðinu heldur grafið djúpt fyrir neðan. Fyrir þá sem hafa áhuga á hafríkum plánetum utan sólkerfisins okkar leysti þetta eitt vandamál. „Þú þarft ekki að hafa áhyggjur af því að andrúmsloftið verði fjarlægt,“ segir Kathleen Mandt við Johns Hopkins háskólann í Maryland . „Ísinn verndar vatnið frá því að glatast.

En þó að ísilegt yfirborð geti varðveitt höf vatnaheimsins, og þar af leiðandi búsetu þess, getur önnur tegund af ís ógnað því. Þetta hefur með stærð að gera. Ef pláneta á stærð við jörð væri með svipað grafið haf og það sem við höfum séð á smærri tunglum, myndi gríðarlegur þyngdarkraftur og þrýstingur á dýpi sem mögulegt er á vatnsheimum þjappa hluta vatnsins saman í framandi ísform sem ekki verður til. náttúrulega á jörðinni. Í mörg ár var talið að þessi tegund af ís gæti komið í veg fyrir að sum lífsvæn frumefni sem finnast í kjarna plánetu, eins og kolefni, járn, fosfór og kísill , blandist fljótandi sjó fyrir ofan.

Undanfarin ár hafa rannsóknir bent til þess að þessi háþrýstiís útiloki ekki sjálfkrafa möguleika á lífi. Reyndar gætu þeir hjálpað því. Ef gert er ráð fyrir að þungir frumefni og lífrænar sameindir úr bergkjarnanum geti borist til fljótandi svæða vatnsheima, þá er einnig mikilvægt að þeim innihaldsefnum sé blandað saman yfir mismunandi dýpi í víðara hafinu. Á jörðinni opnar svipað uppstreymi og blöndun í sjónum mismunandi sess fyrir lífverur til að hernema og gefur hráefni fyrir líf yfir miklar sjávarfjarlægðir.

Árið 2018 bentu eftirlíkingar til þess að háþrýstiís gæti hrundið í gegnum ferli sem kallast varning í föstu formi svipað og hreyfing bergs í möttli jarðar, segir Sam Howell hjá Jet Propulsion Laboratory NASA í Kaliforníu . Ofan á þetta getur geislavirk rotnun þyngri frumefna , eins og kalíums, þóríns og úrans, í kjarna þessara pláneta veitt nægan hita til að knýja þessa hreyfingu. „Það er hugsanlegt að bráðnun gæti myndast við ís-bergsmörk,“ segir Howell, „sem er mikilvægur staður fyrir blöndun vatns og þungra frumefna.

Fjarreikistjörnusamsetningar

Samstaða var um að vatnsheimar með grafnum höfum, eða þeir sem eru á yfirborðinu, ef þeir myndu haldast, gætu verið frábær staður fyrir líf til að dafna. En stjörnufræðingar voru enn óvissir um hversu algengar þær gætu í raun verið í alheiminum. Þetta kemur niður á því hvernig við rannsökum fjarreikistjörnur. Með því að fylgjast vandlega með því hvernig reikistjörnur hindra ljós frá gestgjafastjörnum sínum þegar þær fara á milli þeirra og okkar, getum við ályktað um massa þessara reikistjarna, radíus eða stundum bæði. Ef við þekkjum bæði getum við ályktað um þéttleika þeirra. En bergreikistjarna með þykkan vetnisloft gæti haft nákvæmlega sama þéttleika og hafheimur, segir Owen Lehmer hjá Ames rannsóknarmiðstöð NASA . „Hvernig veistu hvor þeirra er rétt þegar þau gætu bæði haft vatn í andrúmsloftinu? segir hann. „Þetta er mjög áhugaverð áskorun.

Við vitum að sum tungl í sólkerfinu okkar eru rík af vatni: Enceladus hefur vatn sem skýst út úr því.

MARK GARLICK/Science Photo Library/Alamy

Li Zeng við Harvard háskólann bauð lausn á þessu árið 2018. Ásamt teymi stjörnufræðinga komst Zeng inn á undirmengi þeirra um 4000 fjarreikistjörnur sem þá höfðu fundist: þær sem voru tvö til fjórfalt stærri en jörðin. . Þegar Zeng og teymi hans greindu geisla og þéttleika þessara fjarreikistjörnur komu fram tveir aðskildir hópar: einn fyrir litlar, þéttar bergreikistjörnur og annar fyrir stærri, meðalstóra heima.

Ríkjandi hugmynd var sú að þessar millireikistjörnur – 1400 eða svo af þeim – væru smá-Neptúnusar, plánetur með bergkjarna umkringdar þykkum hjúpum vetnisgass, óbyggilegar hvað líf á jörðinni varðar. En þessir mini-Neptunes féllu ekki alveg í nettan flokk. „Þær eru ekki nógu þéttar til að vera berg og járn, en þær virðast ekki vera nógu þrútnar til að vera vetnisríkar plánetur,“ segir Lehmer.

Zeng og teymi hans lögðu til að þessar plánetur væru vatnsheimar í stað þess að vera smá-Neptúnusar. Reikistjörnur sem samanstanda af 50% ís og 50% bergi eru líklegri til að tákna þennan annan topp í fjarreikistjörnugögnum, halda þeir því fram. Þeir töldu að meiri þyngdarafl sem tengdist stærri gasrisum þýddi að þeir myndu stela megninu af vetnisgasinu sem er til staðar í frumreikistjörnunni (efnin sem renna saman til að mynda plánetukerfi) og skilja minni reikistjörnurnar eftir með mikið magn af algengum ís.

Það sem meira er, þegar þeir mótuðu andrúmsloft þessara fyrirhuguðu vatnsheima, fann teymið að ef pláneturnar hefðu rétt efnajafnvægi, þá gæti metan, ammoníak og vetni sem koma frá hinu mikla vatnsgeymi endurnýjað smám saman tap á lofthjúpnum. Ef andrúmsloftið hélst ósnortið myndi uppgufun frá sjónum stöðvast og varðveita mögulega vin fyrir lífið fyrir neðan. Lehmer er enn varkár varðandi þessa tilteknu niðurstöðu. „Allar rannsóknir á algengi vatnsheima munu enn vera mjög óvissar,“ segir hann.

Samt var samstaða um vatnsheima að breytast. Samhliða líkanagerð Zengs hafa niðurstöður úr fornum loftsteinum sem sýna að ís var algengt innihaldsefni snemma sólkerfisins og uppgötvun vatns í lofthjúpi nokkurra fjarreikistjörnur sannfært suma stjörnufræðinga um að vatn hafi verið fastur þáttur í myndun pláneta. Vatn, þegar allt kemur til alls, er samsett úr tveimur af algengustu frumefnum alheimsins, vetni og súrefni, og var ein algengasta sameindin þegar okkar eigin sólkerfi myndaðist.

Í dag er almennt sammála um að til séu tvenns konar fjarreikistjörnur í vatni. Sú fyrsta er reikistjarna sem byrjar lengra frá stjörnu sinni og inniheldur mikið af ís. Þegar hann færist nær stjörnu sinni bráðnar ísinn og myndar haf á yfirborðinu, sem seinkar fyrir tapi lofthjúpsins, segir Mandt. Eða, eins og Enceladus, er ískalt lag sem heldur vatninu inni.

Frambjóðendur hafheimsins

Algengi vatnsheima mun halda áfram að vera ráðgáta þar til við getum fundið þá utan sólkerfisins okkar. Sem betur fer ætlar James Webb geimsjónaukinn (JWST) að eyða miklum tíma í að greina samsetningu andrúmslofts hugsanlegra heimaheima. Og það er kerfi með mögulegum vatnaheimi rétt við vetrarbrautardyrnar okkar.

Enceladus (efst til vinstri) hefur vatn að skjóta út úr honum. Evrópa (efst til hægri) og Ganymedes (neðst til vinstri) hafa grafin höf, eins og ískalt Titan (neðst til hægri)

NASA/JPL

TRAPPIST-1 , með sjö þekktum bergheimum, er í aðeins 40 ljósára fjarlægð frá jörðinni. Árið 2021 áætluðu Eric Agol við háskólann í Washington í Seattle og teymi hans að að minnsta kosti fjórar plánetur í kerfinu gætu haft umtalsvert vatn. Sá vænlegasti er TRAPPIST-1h, sem gæti verið allt að 10 prósent vatn.

Áætlanir um að skyggnast á TRAPPIST-1h í útfjólubláu með JWST gætu bara leitt í ljós títanlíkt andrúmsloft sem gæti bent til mikils hafs undir yfirborði þess, segir Mandt. „Ef við finnum mikið af metani, en ekki mikið súrefni eða kolmónoxíð, þá væri það vísbending um eldvirkni og títanlíkan lofthjúp,“ segir hún. „Með öðrum orðum, íseldfjöll.

Hópur undir forystu Mandt hefur nú stungið upp á því að nota tungl Satúrnusar Títan, með haf undir yfirborði þess, sem fyrirmynd til að gera athuganir á lofthjúpi TRAPPIST-1 klst . Líkaminn tvö gæti átt margt sameiginlegt. Báðir eru til utan byggilegu svæðisins, báðir hafa líklega fljótandi höf undir frosnu yfirborði og báðir gætu haft víðáttumikið andrúmsloft. Með fjarreikistjörnum eins og TRAPPIST-1h erum við takmörkuð hvað varðar gerðir athugana sem við getum gert, en með ísköldum tunglum sólkerfisins getum við horft á yfirborðið og dregið beint ályktanir um samsetningu þeirra. Þess vegna er gagnlegt að nota tunglin til að hjálpa okkur að skilja fjarreikistjörnur.

Ef TRAPPIST-1h er ekki með lofthjúp útilokar það ekki möguleikann á hafi. Það gæti líkt meira eins og Evrópu, sem hefur haf undir þykkri ísplötu. Vegna skorts á eldfjallavirkni hefur Evrópa í raun ekki andrúmsloft, nema einstaka efnisstrókur sem kemur upp úr ísnum, sem glatast fljótt út í geiminn. Að læra eitthvað um samsetningu tunglsins með því að fylgjast með lofthjúpi þess er nánast ómögulegt.

Gæti líf lifað á slíkum heimi? Efnilegar vísbendingar koma frá öðru tungli. Í september 2022 kom í ljós að þotur sem spúuðu frá Enceladus innihalda öll nauðsynleg efni fyrir líf á jörðinni: kolefni, vetni, köfnunarefni, súrefni, fosfór og brennisteinn.

Vísbendingar frá jörðinni benda einnig til þess að það sé mögulegt. Árið 2021 uppgötvuðu James Smith og Paul Anker hjá British Antarctic Survey vistkerfi svampa og raka 900 metra undir íshellu Suðurskautsins – í 260 kílómetra fjarlægð frá næsta vatnslind þar sem ljóstillífunarlífverur geta lifað af. Samfélagið gæti notað einhvers konar efnamyndun, þar sem metan og brennisteinsvetni eru hugsanlegir orkugjafar. Þetta er ein leiðin til að líf gæti lifað af í ísköldum vatnaheimi sem er snautt af sólarljósi.

Jörðin getur þó aðeins sagt okkur svo margt. „Lífið á jörðinni þróaðist í takt við plánetuna okkar,“ segir Adrienne Kish, örverufræðingur við Náttúruminjasafnið í París, Frakklandi. „Þetta þýðir að líf á jörðinni er einstakt fyrir jörðina og líf á öðrum heimi, ef það er til, mun hafa farið aðra leið með líklega annarri lokaafurð. Sumar grunnbyggingareiningarnar, eins og amínósýrur, gætu verið svipaðar, þar sem við höfum komið auga á þessa hluti í millistjörnuskýjum. En í vatnsheimum þyrfti hvers kyns líf að vera útbúið til að lifa af háan þrýsting, hátt saltinnihald og háan hita, þar sem líklegt er að höfin séu köld fjarri öllum vatnshitaopum.

Ef TRAPPIST-1h skilar ekki varningi, þá er enginn skortur á öðrum fjarreikistjörnum til að kanna. Árið 2019 staðfestu athuganir sem gerðar voru með Hubble geimsjónaukanum vatn í lofthjúpi K2-18 b – plánetu með um átta jarðmassa á byggilegu svæði rauðs dvergs, í 124 ljósára fjarlægð. Vatn greindist einnig með semingi í lofthjúpi plánetunnar LHS 1140 b , sem er um sjö jarðarmassar og er innan búsvæðis stjörnu hennar, sem er í 40 ljósára fjarlægð. Líkanáætlanir hafa gefið til kynna að plánetan gæti verið um 4 prósent af vatni , sem er nóg til að hún hafi hundruð kílómetra djúpt höf.

En það bliknar í samanburði við TOI-1452 b, sem uppgötvaðist í ágúst , en stærð og massa bendir til þess að það gæti verið 22 prósent vatn. Þessi pláneta er í 100 ljósára fjarlægð frá sólkerfinu okkar og snýst um tvö rauð dvergapar. 11 daga braut þess setur TOI-1452 b vel innan búsvæðis tveggja móðurstjarna sinna og René Doyon við háskólann í Montreal ætlar að bóka tíma hjá JWST til að fá nánari skoðun á honum fljótlega. Með einum eða öðrum hætti virðist það að skoða fjarlægan vatnaheim vera spurning um hvenær, ekki hvort.