211service.com
Hur NASA:s Exoplanet Modeling Software simulerade förhållanden på jorden-Twin Proxima B
Förra veckan vaknade jorden till nyheten att den har en tvilling som kretsar runt Proxima Centauri, en röd dvärgstjärna och solens närmaste granne, bara 4,24 ljusår bort. Proxima b, som denna tvillingplanet kallas, är lite större än jorden och kretsar runt sin stjärna var 11:e dag på ett avstånd som är bara 1/20 av jorden till solen.
Men eftersom Proxima Centauri är mycket mindre lysande än solen, ligger Proxima b väl inom den så kallade beboeliga zonen där flytande vatten kan finnas på dess yta. Det har lett till detaljerade spekulationer om hur ytan på Proxima b kan se ut och hur troligt det är att dessa tillstånd kan stödja livet.
Men NASA har ett mjukvarumodelleringsverktyg som heter VPlanet som modellerar förhållanden på exoplaneter baserat på vad som är känt om dem, deras moderstjärna och processerna för planetarisk evolution. VPlanet förutspår sedan möjliga förhållanden på ytan och förutsäger om planeten är beboelig eller inte.
Idag säger Rory Barnes och kompisar vid NASA:s astrobiologiska institut att de har låtit VPlanet krossa data som samlats in om Proxima b. Detta har gjort det möjligt för dem att förutsäga möjliga tillstånd på Proxima b.
VPlanet börjar med att bryta ner problemet med att bestämma exoplaneternas beboelighet i nio separata uppgifter som var och en utforskar olika aspekter av planetarisk evolution. Till exempel tittar en uppgift på moderstjärnans utveckling för att se hur förändringar i ljusstyrka, till exempel, skulle ha påverkat planetens omedelbara miljö. En annan tittar på detta stjärnsystems rörelse genom galaxen och letar efter nära möten som kan ha varit inflytelserika.
Ännu en modul undersöker transporten av värme från planetens kärna till ytan för att se hur detta skulle ha påverkat temperaturen på ytan. Och en annan simulerar hur planetens atmosfär kan ha rymt ut i rymden och hur mycket som skulle finnas kvar idag. Och så vidare.
Resultaten av denna modelleringsprocess ger intressant läsning. Ett sätt att göra förutsägelser som involverar komplexa situationer är att köra en simulering många gånger för att se om de brukar hamna på samma plats. VPlanet använder denna teknik för att modellera inverkan av passerande stjärnor på omloppsbanan för Proxima b genom att slumpmässigt välja rimliga omloppsparametrar för 10 000 olika simuleringar. I båda fallen stoppade teamet simuleringen när Proxima b:s omloppsbana blev instabil.
Detta hände i cirka 15 procent av försöken. Det är viktigt eftersom dessa typer av instabiliteter skulle ha en enorm inverkan på en planets beboelighet.
VPlanet drog också slutsatsen att om Proxima b bildades på sitt nuvarande avstånd från sin stjärna, måste den vara tidvattenlåst. Med andra ord, den presenterar samma ansikte för sin stjärna kontinuerligt, som månen gör mot jorden. Det skulle få ena sidan av planeten att koka varm medan den andra är iskall. Det vore olämpligt för livet.
Det finns dock en varning. Om planetens atmosfär är tillräckligt tjock för att transportera värme effektivt runt planeten, skulle temperaturen vara mycket behagligare och Proxima b skulle fortfarande kunna vara beboelig medan den är tidvattenlåst.
Naturligtvis kan planeten ha migrerat till sitt nuvarande avstånd från någon annanstans, i vilket fall den inte skulle vara tidvattenlåst.
Tillståndet i Proxima b:s atmosfär är ett annat avgörande problem. I detta avseende simulerar VPlanet många potentiella scenarier med utgångspunkt från antagandet att planeten började liv med en riklig vattenförsörjning, flera gånger så stor som jordens. Under dessa förhållanden förutspår VPlanet att det mesta av vattnet bryts ner och att det resulterande vätet flyr ut i rymden. Om Proxima b bildades med mindre än tio gånger jordens vatteninnehåll och/eller hade ett ihållande konvektion, reducerande magmahav, är det troligtvis uttorkat idag, säger teamet.
Det finns en annan möjlighet - att Proxima b hade ett vätehölje som flyr ut i rymden samtidigt som vattnet bevaras på ytan. I det här fallet skulle Proxima b vara beboelig idag, även om Barnes och co inte kan sätta en siffra på hur troligt detta är.
Kort sagt, VPlanet föreslår att Proxima b för närvarande skulle kunna existera i ett brett spektrum av möjliga tillstånd, av vilka några skulle kunna försörja livet medan andra inte skulle göra det. Barnes och co drar slutsatsen att Proxima b kan vara Venus-liknande, uttorkad, varm och olämplig för livet; den kan vara Neptunusliknande, omgiven av ett hölje av väte som skulle göra ytan för varm för att vara beboelig.
VPlanet förutspår också att Proxima b kan vara så rik på syre att detta skulle ha förhindrat livets utveckling - syre är naturligtvis mycket reaktivt och ett kraftfullt oxidationsmedel.
Men den mest spännande förutsägelsen är att Proxima b är jordliknande med flytande vatten och en atmosfär som främjar liv. I så fall, säger Barnes och co, skulle det se ut som en blekt lila prick när vi äntligen observerar den.
Det är lite förvånande med tanke på att dess förälderstjärna är en röd dvärg men inte så annorlunda än jordens utseende som en ljusblå prick, om någon på Proxima b skulle titta på detta sätt.
Naturligtvis, vad astrobiologer behöver nu är mer data. Proxima b kommer säkerligen att bli den mest studerade planeten utanför vårt solsystem. Nästa generation av rymdteleskop kommer att kasta lite välbehövligt ljus över saken. Datan de samlar in kommer att hjälpa till att minska antalet möjliga evolutionära banor som Proxima b kunde ha tagit.
Chefen bland dessa observatorier är rymdteleskopet James Webb, som ska lanseras 2018, och Wide Field Infrared Survey Telescope, som ska lanseras i mitten av 2020-talet. Nästa generation av markbaserade teleskop, som kommer att vara mer än 30 meter breda, borde också kunna skymta jordens tvilling.
Dessa instrument kommer att kunna göra spektrografiska undersökningar av Proxima b:s atmosfär och leta efter inslag av syre, metan, koldioxid och väte. Det skulle kunna ge en fingervisning om huruvida förhållandena där är gynnsamma för livet. En dag kan jorden till och med vakna upp till nyheten att astronomer har upptäckt havsglimt – stjärnljus som reflekteras från havsvattnet när planeten roterar. Vilket spännande ögonblick det skulle vara.
Ref: arxiv.org/abs/1608.06919 : Habitability of Proxima Centauri b I: Evolutionära scenarier; arxiv.org/abs/1608.08620 : Habitability of Proxima Centauri b II: Miljötillstånd och observationsdiskriminerande personer