Hvad gør en exoplanet 'beboelig'?

Et af de mest spændende emner inden for astronomi i dag er søgen efter exoplaneter, eller planeter uden for vores solsystem. Vi har fundet over 5.000 exoplaneter til dato, og flere bliver opdaget hvert år. Og den hellige gral af exoplanetforskning er at finde beboelige planeter, hvor vi kunne lede efter liv ud over vores egen planet.

Hvis du er interesseret i astronomi, har du sikkert set nyhedsoverskrifter om beboelige exoplaneter, som er blevet opdaget ved missioner som NASAs Kepler-rumteleskop eller Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Disse planeter er typisk jordlignende og kan have flydende vand på deres overflade, og det menes, at de potentielt kunne understøtte liv. Men hvordan kan vi se, om en planet er beboelig på millioner af miles væk? Og hvad mener vi egentlig med beboelig?

Vi talte med beboelighedsekspert Abel Méndez fra Planetary Habitability Laboratory på University of Puerto Rico i Arecibo, som fortalte os, at beboelighed er meget mere kompliceret end dig tænker måske.

Beboelighed er ikke binær

Den måde, de fleste mennesker taler om beboelighed på, er, som om det var en binær tilstand. Enten er en planet beboelig, eller også er den ikke. Men når du tænker på spørgsmålet i dybden, er det klart, at denne definition ikke duer. Mener vi beboelig som i stand til at opretholde menneskeliv? Eller mikrobielt liv? Mener vi, at det er et behageligt miljø, hvor livet kan lykkes, eller et miljø, hvor overlevelse er svært, men teoretisk muligt? Mener vi, at liv kunne have udviklet sig i det miljø, eller at hvis liv ankom der, kunne det overleve?

Der er ikke noget klart svar på disse spørgsmål, hvorfor det er en fejl at tænke på beboelighed som et ja/nej-spørgsmål. I stedet bør vi tænke på beboelighed som et mål for egnethed til en bestemt type liv.

Denne forvirring eksisterer ikke kun blandt medlemmer af offentligheden. Méndez sagde, at der er mangel på konsensus blandt videnskabsmænd om, hvad beboelighed også betyder. Det er "et ladet ord," sagde han, "fordi i vores sædvanlige samtaler betyder beboelighed beboelighed for mennesker." Men når vi ser på andre planeter, tænker vi ikke kun på mennesker, men også andre slags af livet.

Hele den tid, astrobiologer havde undret sig over exoplaneternes beboelighed, vendte det derude var en anden gruppe mennesker, der har tænkt på beboelighed i årtier: Økologer. Økologer taler om "habitategnethed" af miljøer her på Jorden - som i et bestemt miljøs egnethed til, at en bestemt type liv kan trives. Det er netop, hvad det astrobiologiske samfund forsøgte at komme frem til med sin exoplanetforskning.

Tidligt i sin forskning i emnet stødte Méndez på dette økologiarbejde, han sagde: "Jeg indså, at hvad folk i Det astrobiologiske felt forsøgte at gøre - at definere og kvantificere beboelighed - blev allerede gjort for årtier siden af ​​økologer."

Hvad med den beboelige zone?

Problemet handler altså ikke om at afgøre, om en exoplanet er beboelig eller ikke, men snarere om at bestemme, hvilke egenskaber der ville gøre den egnet til livstyper.

Et relativt nemt sted at starte er med kravet om, at flydende vand skal være tilgængeligt. Flydende vand er vigtigt for næsten alle former for liv, som vi kender det på grund af dets opløsningsmiddelegenskaber. Mange ting opløses i vand, hvilket betyder, at det er godt at få tingene blandet sammen, hvilket muliggør kemiske reaktioner. Det spiller også en vigtig rolle i den måde, enzymer fungerer på. Så når videnskabsmænd har forestillet sig kravene til en beboelig exoplanet, er det at have flydende vand til rådighed øverst på listen.

Det er det, der giver os ideen om den "beboelige zone". Dette er et område omkring en stjerne, hvor det anslås, at en planet ville have den rigtige temperatur til at have flydende vand på sin overflade. Hvis vi skulle finde en Jordlignende planet i en stjernes beboelige zone ræsonnementet lyder, ville vi have fundet et godt udgangspunkt for at lede efter livet.

At være i den beboelige zone er dog ikke alt og ende med beboelighed. Det er kun ét grundlæggende krav. Og, siger Méndez, udtrykket har forårsaget "meget forvirring", fordi astronomer ofte vil sige, at en planet er beboelig, når de mener, den er i den beboelige zone. Han foretrækker udtrykket "potentielt beboelig" for at gøre det klart, at dette langt fra er et afgjort spørgsmål.

Faktorer for beboelighed

Ok, så flydende vand er et must. Hvad skal der ellers til, for at en planet kan være vært for liv? Vi har en solid forståelse af det baseret på livsformer herfra på Jorden. Når det kommer til at vurdere eksoplanets beboelighed, vil astrobiologer gerne vide om faktorer som en planets masse og radius, såvel som dens overfladetemperatur, tryk og den del af planeten, der er dækket af vand.

Det er udfordrende at bestemme disse faktorer for enhver given exoplanet. For de fleste exoplaneter, der er opdaget nu, kan vi kende faktorer som deres omløbsperiode, deres radius eller masse og deres stjerneflux, som er mængden af ​​stråling, de modtager fra deres værtsstjerne. Men for at kende deres overfladetemperatur eller tryk, for eksempel, skal vi vide om deres atmosfærer.

For at se hvorfor, se på vores eget solsystem. Venus har den højeste overfladetemperatur i solsystemet, selvom den er længere væk fra solen end Merkur. Det skyldes, at Venus har en ekstrem tyk atmosfære, som fanger varmen og hæver overfladetemperaturen. En fremmed astrobiolog, der ser på vores solsystem, ved måske ikke, hvor varm Venus var, fordi det ikke er tydeligt på afstand.

Fremtidigt arbejde udført af teleskoper som James Webb Space Telescope vil gøre os i stand til at lære mere om exoplanet atmosfærer, men indtil videre skal forskerne estimere overfladetemperaturer.

Mængden af ​​overfladen, der er dækket af vand, er også vigtig. Kaldet havfraktionen, dette betyder noget, fordi oceanernes dynamiske natur gør dem gode til at transportere næringsstoffer rundt på en planet for at gøre stedet mere gæstfrit for livet.

Vi har i øjeblikket ikke instrumenter, der er i stand til at måle havfraktionen af ​​exoplaneter. Der er dog ideer til fremtidige teleskoper som kunne se på, hvordan mængden af ​​lys, der reflekteres af en exoplanet, ændrer sig, mens den roterer, hvilket kan indikere mængden af ​​hav, der dækker dens overflade.

På trods af al kompleksiteten i at bestemme disse faktorer, mener Méndez, at exoplanetvidenskaben udvikler sig så hurtigt, at vi vil være i stand til at måle dem inden for de næste tyve år. "Ti år for atmosfæremålinger med forskellige instrumenter, derefter ti år for nye teleskoper, der vil være i stand til at se planeter individuelt og måle havfraktionen," forudsagde han.

Et katalog over potentielt beboelige exoplaneter

At kunne studere exoplaneter så detaljeret i fremtidige årtier er spændende, men forskere ønsker også at studere potentielt beboelige exoplaneter nu. Af den grund fastholder Méndez' gruppe Katalog for beboelige exoplaneter, som er en liste over alle de potentielt beboelige exoplaneter, der er opdaget til dato.

For at blive inkluderet i kataloget skal en planet have nogenlunde jordstørrelse og kredse inden for sin stjernes beboelige zone. Men for at tage højde for de mange faktorer, vi endnu ikke kan vide om disse exoplaneter, er der to forskellige kriterier for jordstørrelser. Kataloget har både en konservativ liste, som viser planeter op til 1,6 gange Jordens radius eller tre gange dens masse og en optimistisk liste, som har planeter op til 2,5 radius af Jorden eller 10 gange dens masse.

Det er fordi, når vi leder efter potentiel beboelighed, leder vi efter klippeplaneter som Jorden og ikke efter gasplaneter. Exoplaneter med lav densitet, som gasgiganter, er ikke gode for livet, fordi de er dårlige til at holde på de næringsstoffer, der skal være tilgængelige for livet – samme grund til at du ikke finder liv i skyerne på Jorden. Planeter op til cirka to gange jordens størrelse vil være klippeplaneter, men planeter større end det kan være en type kaldet en mini-Neptun eller gasdværg, som sandsynligvis ikke vil understøtte liv.

Med over 5.000 bekræftede exoplaneter du kunne forestille dig, at kataloget ville liste hundredvis af kandidater til beboelighed, men faktisk er der relativt få – kun 21 på den konservative liste og yderligere 38 på den optimistiske liste.

Kortheden af ​​listen kan til dels skyldes, at mange exoplanetdetektionsmetoder er bedre til at finde større exoplaneter end mindre - det er generelt nemmere at få øje på noget, der er større - og nogle undersøgelser tyder på, at kunne være milliarder af jordlignende planeter i vores galakse. Men indtil videre er antallet af exoplaneter, vi kan pege på, som opfylder de mest basale kriterier for potentiel beboelighed lavt.

Hvor skal man søge efter livet nu

Det faktum, at der er få potentielt beboelige exoplaneter, vi kender til, betyder selvfølgelig ikke, at vi skal opgive at lede efter liv andre steder. På nogle måder gør det beslutningen om forskningsmål lettere, når du har systemer som f.eks TRAPPIST-1, som menes at være vært for så mange som fire potentielt beboelige exoplaneter, og som vil være et nøglemål for det kommende videnskabelige arbejde i James Webb rumteleskop.

Alle disse diskussioner om beboelighed tænder på ideen om, at hvis der er liv andre steder i universet, vil det i det mindste kunne sammenlignes med livet her på Jorden. Når vi taler om krav til vand eller til bestemte næringsstoffer, baserer vi dette på det liv, vi har observeret på vores planet. Vi antager, at andre steder vil være liv, som vi kender det, men det er bestemt muligt, at der kan være liv af en helt anden form et sted derude.

Selvom videnskabsmænd anerkender denne mulighed, har de ikke en tendens til at overveje konceptet meget, fordi det ikke er praktisk nyttigt til forskning. "Du vil ikke genkende livet, da vi ikke kender det," påpegede Méndez, så det er ikke noget, vi kunne søge efter.

Leder efter liv i vores eget solsystem

Nogle forskere hævder, at i stedet for at se på exoplaneter, kan vi se i vores eget solsystem efter potentielt beboelige verdener - steder som Saturns måne Enceladus eller Jupiters måne Europa. Selvom de er for langt fra solen til at have flydende vand på deres overflader, menes begge at have flydende saltvandshave under iskolde skorper.

Men Méndez er ikke overbevist om, at disse steder er meget lovende steder for livet på grund af de iskolde skorper. Disse skorper blokerer for adgangen til enhver atmosfære og forhindrer energi i at blive overført fra overfladen, hvilket gør den dårligt egnet til at opretholde liv. "Det er værre end de dybe oceaner på vores planet. Det er meget værre end noget andet på Jorden," sagde han. "Jeg tror ikke, at der vil leve noget ud over mikrobielt liv der."

Selv at finde mikrobielt liv uden for Jorden ville være enormt spændende, derfor målet med missioner som roveren Perseverance for at lede efter beviser for gammelt liv på Mars. Men Mars er ikke ligefrem gæstfri i dag, selvom det kunne have været på et tidspunkt i sin fortid. Beboelighedsundersøgelser af Mars-miljøet lover ikke, at noget har overlevet der i dag: "Vi anslået, at Mars' overflade er tusind gange værre end Atacama-ørkenen," for at opretholde liv, Méndez sagde.

Videre til Mars

På trods af sine forbehold over for de tørre forhold på Mars, er Méndez pragmatisk med hensyn til, hvor vi kan finde beviser på liv, hvis det eksisterer. "Hvis jeg skulle satse på, hvor vi ville være i stand til at finde liv, ville jeg satse på Mars," sagde han, "selvom jeg elsker exoplaneter mere!" Det er på grund af spørgsmålet om detektion. Hvis du vil vide, at en planet ikke kun er potentielt beboelig, men faktisk er vært for liv, har du brug for beviser - og det bevis er ekstremt svært at få på lang afstand.

Med prøve-returmissioner planlagt til Mars i de næste årtier, er kapløbet i gang for at få et stykke Mars tilbage til Jorden for at studere. Disse prøver er vores bedste chance for en vis påvisning af liv. "Det definitive svar vil komme, hvis du har en prøve her på Jorden, fordi du leder efter mikrobielt liv i meget lave mængder," forklarede han.

Drømmeforskningsscenariet ville være at indsamle en prøve fra et miljø på Mars, der kunne være beboeligt efter Jordens standarder, som en vandførende lag. Hvis vi fandt beviser for liv i et sådant miljø, ville det være fantastisk - vi ville have opdaget, at vores planet ikke er den eneste, der er vært for liv.

Men Méndez siger, at det ville være lige så spændende at ikke finde noget bevis på liv i et sådant miljø. "Hvis vi finder et beboeligt sted efter jordiske standarder, og der ikke er noget liv der, vil det være fantastisk og spændende," sagde han. "Hvad gik galt? Hvad skete der? Hvorfor er der intet liv?” I betragtning af at liv eksisterer i så mange forskellige miljøer på Jorden, og det ved vi at Jorden og Mars har delt materiale via nedslag, ville det faktisk være mærkeligt, hvis livet var begrænset til vores planet.

"Det ville være en stor åbenbaring at finde liv, men det negative resultat ville være endnu mere dybtgående," sagde Méndez. "Der er ingen måde at gå galt her. Det er en win-win situation. Svaret er på Mars, det er lige der. Og ethvert svar er dybtgående."

Redaktørens anbefalinger

• Her er grunden til, at videnskabsmænd tror, ​​at livet kan have trivdes på 'helvedesplaneten' Venus
• Astronomer ser en exoplanet, der skaber spiralarme omkring sin stjerne
• Det europæiske rumfartøj BepiColombo flyver for tredje gang forbi Mercury i dag
• Denne exoplanet er over 2.000 grader Celsiu, har fordampet metal i sin atmosfære
• Jagten på beboelige måner i solsystemet bliver varmere