Rock Solid Evidence for Other Earths

Είναι ο πλανήτης μας μοναδικός; Οι πιθανότητες είναι ελάχιστες. Υπάρχουν τρισεκατομμύρια άλλοι γαλαξίες, καθένας από τους οποίους έχει δισεκατομμύρια ήλιους. Σε μια πρόσφατη συνέντευξή του, ο Εντ Γιανγκ, καθηγητής γεωχημείας και κοσμοχημείας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Λος Άντζελες, μου λέει ότι μπορεί να είναι ανατριχιαστικό αν ένας ήλιος έχει έναν βραχώδη πλανήτη σε τροχιά γύρω από αυτόν. Όμως οι αστρονόμοι έχουν πλέον εντοπίσει, σύμφωνα με τη NASA, περισσότερους από 4.000 εξωπλανήτες, σώματα που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από έναν ήλιο διαφορετικό από τον δικό μας. "Οι πιθανότητες αυξάνονται σιγά σιγά ότι υπάρχουν άλλες Γες εκεί έξω", λέει ο Young.

Ο ίδιος ο Young έχει ενισχύσει τις πιθανότητες. Σε μια Επιστήμη Έγγραφο που δημοσιεύθηκε αυτόν τον μήνα με τον δυσκίνητο τίτλο, «Οξυγόνοι εξωηλιακών πετρωμάτων:Στοιχεία για μια γεωχημεία εξωπλανητών που μοιάζει με τη Γη», ο Young και οι συνεργάτες του, χρησιμοποιώντας μια εκλεπτυσμένη μέθοδο μέτρησης της σύνθεσης των εξωπλανητών, καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι «τουλάχιστον κάποιοι βραχώδεις Οι εξωπλανήτες είναι γεωφυσικά και γεωχημικά παρόμοιοι με τη Γη». Ο Young και μια από τις συγγραφείς του, η Alexandra Doyle, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στην αστροχημεία, αναφέρουν λεπτομερώς στη συζήτησή μας—καθορίζοντας τεχνικούς όρους—τι κάνει τη μελέτη τους μοναδική και πώς προσφέρει ακλόνητη απόδειξη ότι η Γη δεν είναι μόνη.

Λέτε ότι κάνετε «πραγματική» αστρονομική γεωχημεία. Γιατί;

Alexandra Doyle: Όταν οι άνθρωποι προσπαθούν να μελετήσουν τη γεωχημεία των εξωπλανητών, μετρούν κυρίως τη μάζα και την ακτίνα του αντικειμένου. Προσπαθούν να δουν πόσο από το σώμα είναι ένας πυρήνας σε σχέση με το πόσο είναι ένας μανδύας και μια κρούστα, και προσπαθούν να κάνουν δηλώσεις σχετικά με το πώς μοιάζει το σώμα συνολικά, με βάση αυτές τις δύο μετρήσεις. Είναι πολύ δύσκολο γιατί υπάρχουν υποθέσεις που πρέπει να κάνεις. Για παράδειγμα, το οξυγόνο σε ένα αστέρι που μοιάζει με ήλιο είναι πολύ άφθονο. Είναι το τρίτο πιο άφθονο στοιχείο, αλλά στους βράχους είναι εξαιρετικά πτητικό, επομένως είναι δύσκολο να το συμπυκνώσετε σε βράχο. Πρέπει λοιπόν να υποθέσουμε τι ποσοστό του οξυγόνου του αστεριού έχει συμπυκνωθεί σε βράχο. Είναι δύσκολο να γίνει.

Εντ Γιανγκ: Είναι δύσκολο να βρεθούν καλά στερεά στοιχεία για άλλες Γη. Υπάρχουν πολλά έμμεσα στοιχεία. Αλλά βρίσκουμε περισσότερους βραχώδεις πλανήτες και βρήκαμε μερικούς βραχώδεις πλανήτες σε αυτό που ονομάζεται κατοικήσιμη ζώνη, όπου βρίσκονται στη σωστή απόσταση από το αστέρι για να έχουν υγρό νερό στην επιφάνειά τους. Αυτή είναι πραγματική γεωχημεία επειδή μετρά τη σύνθεση των πλανητών αντί να τους συμπεράνει απλώς.

Τι διαφορετικό κάνετε για να προωθήσουμε την κατανόησή μας για τους εξωπλανήτες;

Doyle: Κάνουμε οπτική φασματοσκοπία, παρατηρώντας αστέρια στο οπτικό φάσμα. Αυτά τα στοιχεία που πέφτουν στα αστέρια—ο σίδηρος, το πυρίτιο, το μαγνήσιο, κ.λπ. —θα απορροφήσει το φως που εκπέμπει το αστέρι και μπορείτε να το δείτε πραγματικά σε ένα φάσμα. Θα μπλοκάρει το φως σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος για κάθε στοιχείο που βλέπετε. Αυτά τα μήκη κύματος είναι γνωστά εδώ και εκατοντάδες χρόνια. Αυτές οι γραμμές απορρόφησης μπορούν να πουν ποια στοιχεία πέφτουν στο αστέρι και μπορείτε να μοντελοποιήσετε πόσο άφθονα είναι αυτά τα στοιχεία.

Η καρδιά της δουλειάς σας είναι η μέτρηση της «διαφυγής οξυγόνου». Σκέφτεστε να αναλύσετε τι είναι αυτό;

Νέοι: Σίγουρος. Το Fugacity είναι μια λέξη χημείας για τη μερική πίεση. Αυτό που υπολογίζουμε είναι η μερική πίεση του οξυγόνου που υπήρχε όταν σχηματίστηκαν τα πετρώματα. Ο αέρας που αναπνέετε, για παράδειγμα, είναι 20 τοις εκατό οξυγόνο, οπότε θα λέγαμε ότι η μερική πίεση του οξυγόνου στον αέρα είναι 20 τοις εκατό μιας ατμόσφαιρας, 0,2 ατμόσφαιρες. Μπορούμε να το μετρήσουμε γιατί ο σίδηρος θέλει να είναι μέταλλο. Ο σίδηρος θα είναι μέταλλο που θα αφεθεί στην τύχη του. Όμως, παρουσία οξυγόνου, το οξυγόνο θα κλέψει τα ηλεκτρόνια από τον σίδηρο και στη συνέχεια το οξυγόνο και ο σίδηρος πρέπει να μοιραστούν αυτά τα ηλεκτρόνια - δημιουργούν έναν δεσμό οξυγόνου-σιδήρου. Έτσι, το σίδερο δεν υπάρχει πλέον ως μέταλλο σιδήρου αλλά ως βράχος.

Χρησιμοποιούμε την περιεκτικότητα του βράχου σε σίδηρο για να υπολογίσουμε εκ των υστέρων ποια ήταν η μερική πίεση του αερίου οξυγόνου όταν σχηματίστηκε ο βράχος. Η ποσότητα σιδήρου που βρίσκεται στο βραχώδες εξωτερικό μέρος του πλανήτη σε αντίθεση με τον μεταλλικό πυρήνα είναι ένα ενδεικτικό σημάδι της μερικής πίεσης του οξυγόνου όταν φτιάξατε το βράχο. Η καταγραφή του είναι η συγκέντρωση σιδήρου στο βράχο:πόσα γραμμάρια σιδήρου έχετε σε σχέση με πόσα γραμμάρια πυριτίου, μαγνησίου, ασβεστίου και άλλων πραγμάτων. Δεν πρόκειται να πάει στο διάστημα και δεν πρόκειται να επιστρέψει στον πυρήνα. Το ρεκόρ υπάρχει όσο υπάρχει ο πλανήτης.

Γιατί είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τη διαφυγή οξυγόνου ενός βράχου όταν σχηματίστηκε;

Doyle: Η φυγοκέντρηση του οξυγόνου επηρεάζει την πλανητική δομή και την εξέλιξη. Είναι τόσο σημαντικό όσο η πίεση και η θερμοκρασία για τον καθορισμό του είδους των ορυκτών που κυριαρχούν στο εσωτερικό ενός πλανήτη. Αυτό είναι σημαντικό για την κατοικησιμότητα. Για παράδειγμα, η φυγοκέντρηση του οξυγόνου θα καθορίσει ποια δευτερεύοντα στοιχεία βρίσκονται στον πυρήνα. Μιλούσαμε για το πώς ο πυρήνας μας αποτελείται από σίδηρο και νικέλιο. Πιστεύουμε ότι υπάρχουν ίχνη κάποιου άλλου στοιχείου εκεί, όπως το πυρίτιο, και αυτό βοηθά τη Γη να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο. Τα μαγνητικά πεδία είναι εξαιρετικά σημαντικά για την κατοικησιμότητα ενός πλανήτη. Η φυγοκέντρηση του οξυγόνου θα επηρεάσει επίσης το αν λαμβάνετε τεκτονικές πλάκες και τι είδους ηφαιστειακό και ατμόσφαιρα έχετε.

Νέοι: Οι άνθρωποι έχουν υποστηρίξει ότι η ύπαρξη τεκτονικών πλακών μπορεί να ήταν απαραίτητη για το σχηματισμό πολύπλοκης ζωής στη γη. Αυτά είναι δύσκολο να αποτυπωθούν σε μια ή δύο προτάσεις, αλλά είναι ένα θέμα που διατρέχει το πεδίο της αστροβιολογίας. Η μελέτη μας έχει αφαιρεθεί αρκετά βήματα από αυτό, αλλά λέει ότι εάν η φυγοκέντρηση του οξυγόνου ελέγχει την τεκτονική των πλακών και η τεκτονική των πλακών είναι απαραίτητη για τη ζωή, λοιπόν, αυτό ενισχύει τις πιθανότητες να βρούμε κατοικήσιμους πλανήτες. Είναι μια αλυσίδα λογικής.

Υποστηρίζετε ότι οι εξωπλανήτες είναι πιο πιθανό να έχουν γεωχημεία παρόμοια με τη Γη;

Νέοι: Το επιχείρημά μας είναι ότι αυτό ενισχύει την πιθανότητα να υπάρχουν εξωπλανήτες σαν τη Γη. Δεδομένου ότι βρίσκουμε φυγοκέντρηση οξυγόνου που μοιάζουν με εκείνα της Γης ή του Άρη, αυτό σημαίνει ότι πρέπει να υπάρχουν πλανήτες σαν τον δικό μας εκεί έξω.

Πού παίρνει ένας πλανήτης τη φυγοκέντρηση του οξυγόνου;

Νέοι: Καθώς ο ήλιος τελειώνει τον σχηματισμό του, υπάρχει ένας δίσκος αερίου και σκόνης γύρω του - ένας πρωτοπλανητικός δίσκος - και πέτρες σχηματίζονται από αυτόν τον δίσκο με πήξη σκόνης και κάποια συμπύκνωση ορυκτών από το καυτό αέριο. Η φυγοκέντρηση του οξυγόνου τοποθετείται σε αυτόν τον πρωτοπλανητικό δίσκο καθώς σχηματίζονται οι βράχοι. Ο δίσκος θα πρέπει ως επί το πλείστον να μοιάζει με τον ήλιο στη σύνθεση - κυρίως υδρογόνο, ακολουθούμενο από ήλιο και μετά οξυγόνο. Αλλά οι φυγάδες οξυγόνου που ορίζονται από τη σύνθεση του ήλιου είναι τουλάχιστον 10.000 φορές χαμηλότερες από αυτές που βλέπουμε στους βραχώδεις πλανήτες μας, με εξαίρεση τον Ερμή. Ο Άρης και η Γη είναι 10.000 φορές πιο οξειδωμένα από ό,τι θα προέβλεπε η σύνθεση του ήλιου. Έτσι, κάτι συμβαίνει όταν φτιάχνετε τους πλανήτες για να αυξήσετε την κατάσταση οξείδωσης του περιβάλλοντος όπου σχηματίστηκαν.

Doyle :Υπάρχουν διαφορετικές υποθέσεις για το τι θα μπορούσε να είναι στην πραγματικότητα αυτή η διαδικασία. Αυτό που βλέπουμε είναι ότι όποια και αν είναι η διαδικασία που οξειδώνει αυτά τα πετρώματα, σε σχέση με ένα ηλιακό αέριο, συμβαίνει και σε άλλα πλανητικά συστήματα.

Νέοι: Και ενισχύει τις πιθανότητες να υπάρχουν αλλού πλανήτες σαν τη Γη, επειδή όποια κι αν είναι αυτή η διαδικασία, συμβαίνει και γύρω από άλλα αστέρια.

Η κατανόηση των «λευκών νάνων» είναι το κλειδί για την έρευνά σας. Τι είναι ένας λευκός νάνος;

Doyle: Ένα λευκό αστέρι νάνος είναι η τελευταία γνωστή φάση της αστρικής εξέλιξης για αστέρια στο μέγεθος περίπου του ήλιου. Έτσι, όταν ο ήλιος πεθάνει, θα εξελιχθούν σε λευκούς νάνους. Κατά τη διάρκεια αυτής της εξέλιξης μπορεί να είναι πολύ χαοτικό για τα πλανητικά συστήματα που περιβάλλουν το αστέρι. Μερικές από τις εκτιμήσεις για το πότε ο ήλιος μας πεθαίνει και εξελίσσεται σε λευκό νάνο υποδηλώνουν ότι ο ήλιος μας θα επεκταθεί σε κόκκινο γίγαντα και θα καταβροχθίσει τον Ερμή και την Αφροδίτη και ίσως τη Γη.

Οι τροχιές πραγμάτων όπως οι αστεροειδείς πρόκειται να σταλούν σε πολύ περίεργες τροχιές. Μέχρι τη στιγμή που το αστέρι εξελίσσεται και καταρρέει σε έναν λευκό νάνο, μπορεί να έχει αστεροειδείς αιωρούνται πάνω του. Στη συνέχεια, εάν ένας αστεροειδής ή ένα πλανητικό σώμα πλησιάσει πολύ τον λευκό νάνο, θα τεμαχιστεί σε δίσκο και αυτό το υλικό θα αρχίσει να πέφτει πάνω στον λευκό νάνο. Όταν παρατηρούμε αυτά τα αστέρια, πολλά από αυτά είναι αυτό που λέμε μολυσμένα. Εμφανίζουν στοιχεία όπως σίδηρο, πυρίτιο, μαγνήσιο, όλα αυτά τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για το σχηματισμό πετρωμάτων. Βλέπουμε τη χημική σύνθεση των ίδιων των πετρωμάτων, κάτι που είναι πραγματικά μοναδικό για τις μελέτες εξωπλανητών.

Επειδή λοιπόν οι λευκοί νάνοι λειτουργούν ως νεροχύτης για όλο αυτό το υλικό στο ηλιακό σύστημα, προσφέρουν μια μοναδική εικόνα από τι αποτελούνται οι εξωπλανήτες;

Νέοι: Σωστός. Στην πραγματικότητα, πιθανότατα βλέπουμε είτε θραύσματα πλανητών είτε αστεροειδείς που πήγαν να φτιάξουν πλανήτες.

Πώς είναι να κοιτάς τόσο μακριά και να βλέπεις πλανήτες που μοιάζουν τόσο με τους δικούς μας;

Doyle :Είναι καθησυχαστικό. Καθησυχαστικό με την έννοια ότι τη γεωχημεία που μπορούμε να κάνουμε σε βράχους στη Γη ή σε βράχους στο ηλιακό μας σύστημα, μπορούμε επίσης να κάνουμε σε σώματα και άλλα ηλιακά συστήματα.

Νέοι: Επίσης, πιστεύουμε ότι είναι πολύ ωραίο.

Ο Brian Gallagher είναι ο συντάκτης του Facts So Romantic, the Nautilus ιστολόγιο. Ακολουθήστε τον στο Twitter @BSGallagher.

Η κύρια εικόνα είναι ευγενική προσφορά της NASA/JPL-Caltech