Hva gjør en eksoplanet 'beboelig'?

Et av de mest spennende temaene innen astronomi i dag er letingen etter eksoplaneter, eller planeter utenfor vårt solsystem. Vi har funnet over 5000 eksoplaneter til dags dato, og flere blir oppdaget hvert år. Og den hellige gral av eksoplanetforskning er å finne beboelige planeter der vi kan lete etter liv utenfor vår egen planet.

Hvis du er interessert i astronomi, har du sannsynligvis sett nyhetsoverskrifter om beboelige eksoplaneter som er oppdaget ved oppdrag som NASAs Kepler-romteleskop eller Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Disse planetene er typisk jordlignende og kan ha flytende vann på overflaten, og det antas at de potensielt kan støtte liv. Men hvordan kan vi se om en planet er beboelig på millioner av miles unna? Og hva mener vi egentlig med beboelig?

Vi snakket med beboelsesekspert Abel Méndez fra Planetary Habitability Laboratory ved University of Puerto Rico i Arecibo, som fortalte oss at beboelighet er mye mer komplisert enn deg kan tro.

Beboelighet er ikke binær

Måten folk flest snakker om beboelighet på er som om det var en binær tilstand. Enten er en planet beboelig, eller så er den det ikke. Men når du tenker på problemet i dybden, er det klart at denne definisjonen ikke vil gjøre det. Mener vi beboelig som i stand til å opprettholde menneskeliv? Eller mikrobielt liv? Mener vi at det er et behagelig miljø for livet for å lykkes, eller et miljø der overlevelse er vanskelig, men teoretisk mulig? Mener vi at livet kunne ha utviklet seg i det miljøet, eller at hvis livet kom dit kunne det overleve?

Det er ikke noe klart svar på disse spørsmålene, og det er derfor det er en feil å tenke på beboelighet som et ja/nei-spørsmål. I stedet bør vi tenke på beboelighet som et mål på egnethet for en bestemt type liv.

Denne forvirringen eksisterer ikke bare blant publikum. Méndez sa at det er mangel på konsensus blant forskere om hva beboelighet betyr også. Det er «et lastet ord», sa han, «fordi i våre vanlige samtaler betyr beboelighet beboelighet for mennesker." Men når vi ser på andre planeter, tenker vi ikke bare på mennesker, men også andre typer av livet.

Hele tiden som astrobiologer hadde lurt på om eksoplanetene er beboelige, snudde det der ute var en annen gruppe mennesker som har tenkt på beboelighet i flere tiår: Økologer. Økologer snakker om "habitat-egnethet" for miljøer her på jorden - som i, egnetheten til et bestemt miljø for at en bestemt type liv skal trives. Det var akkurat det astrobiologiske samfunnet prøvde å komme frem til med sin eksoplanetforskning.

Tidlig i sin forskning på emnet, kom Méndez over dette økologiarbeidet, han sa: "Jeg innså at hva folk i astrobiologifeltet prøvde å gjøre – å definere og kvantifisere beboelighet – ble allerede gjort for flere tiår siden av økologer.»

Hva med den beboelige sonen?

Problemet handler altså ikke om å avgjøre om en eksoplanet er beboelig eller ikke, men snarere om å bestemme hvilke egenskaper som vil gjøre den egnet for livstyper.

Et relativt enkelt sted å starte er med kravet om at flytende vann skal være tilgjengelig. Flytende vann er viktig for nesten alle former for liv slik vi kjenner det på grunn av dets løsemiddelegenskaper. Mange ting løses opp i vann, noe som betyr at det er bra for å få ting blandet sammen som muliggjør kjemiske reaksjoner. Det spiller også en viktig rolle i måten enzymer fungerer på. Så når forskere har sett for seg kravene til en beboelig eksoplanet, er det å ha flytende vann tilgjengelig øverst på listen.

Det er dette som gir oss ideen om den «beboelige sonen». Dette er et område rundt en stjerne hvor det anslås at en planet vil ha riktig temperatur for å ha flytende vann på overflaten. Hvis vi skulle finne en Jordlignende planet innenfor en stjernes beboelige sone resonnementet går, vi ville ha funnet et godt utgangspunkt for å lete etter livet.

Å være i den beboelige sonen er imidlertid ikke det beste for beboelighet. Det er bare ett grunnleggende krav. Og, sier Méndez, begrepet har forårsaket "mye forvirring", fordi ofte vil astronomer si at en planet er beboelig når de mener den er i den beboelige sonen. Han foretrekker begrepet "potensielt beboelig" for å gjøre det klart at dette er langt fra et avgjort spørsmål.

Faktorer for beboelighet

Ok, så flytende vann er et must. Hva mer kreves for at en planet skal være vertskap for liv? Vi har en solid forståelse av det basert på livsformer her på jorden. Når det gjelder å vurdere levedyktigheten til eksoplaneter, ønsker astrobiologer å vite om faktorer som en planets masse og radius, så vel som overflatetemperatur, trykk og andelen av planeten som er dekket av vann.

Det er utfordrende å bestemme disse faktorene for en gitt eksoplanet. For de fleste eksoplaneter som er oppdaget nå, kan vi vite faktorer som deres omløpsperiode, deres radius eller masse, og deres stjernefluks, som er mengden stråling de mottar fra vertsstjernen. Men for å vite overflatetemperaturen eller trykket deres, for eksempel, må vi vite om atmosfæren deres.

For å se hvorfor, se på vårt eget solsystem. Venus har den høyeste overflatetemperaturen i solsystemet, selv om den er lenger unna solen enn Merkur. Det er fordi Venus har en ekstremt tykk atmosfære som fanger varmen og øker overflatetemperaturen. En fremmed astrobiolog som ser på solsystemet vårt vet kanskje ikke hvor varm Venus var fordi det ikke er tydelig på avstand.

Fremtidig arbeid utført av teleskoper som James Webb-romteleskopet vil gjøre oss i stand til å lære mer om eksoplanetatmosfærer, men foreløpig må forskere estimere overflatetemperaturer.

Mengden av overflaten dekket av vann er også viktig. Kalt havfraksjonen, dette betyr noe fordi havets dynamiske natur gjør dem gode til å transportere næringsstoffer rundt på en planet for å gjøre stedet mer gjestfritt for livet.

Vi har for øyeblikket ikke instrumenter som er i stand til å måle havfraksjonen av eksoplaneter. Det finnes imidlertid ideer for fremtidige teleskoper som kan se på hvordan mengden lys som reflekteres av en eksoplanet endres når den roterer, noe som kan indikere mengden hav som dekker overflaten.

Til tross for all kompleksiteten i å bestemme disse faktorene, mener Méndez at eksoplanetvitenskapen utvikler seg så raskt at vi vil være i stand til å måle dem i løpet av de neste tjue årene. "Ti år for atmosfæremålinger med forskjellige instrumenter, deretter ti år for nye teleskoper som vil kunne se planeter individuelt og måle havfraksjonen," spådde han.

En katalog over potensielt beboelige eksoplaneter

Å kunne studere eksoplaneter så detaljert i fremtidige tiår er spennende, men forskere ønsker også å studere potensielt beboelige eksoplaneter nå. Av den grunn opprettholder Méndezs gruppe Katalog for beboelige eksoplaneter, som er en liste over alle potensielt beboelige eksoplaneter som er oppdaget til dags dato.

For å bli inkludert i katalogen, må en planet være omtrent på størrelse med jorden og gå i bane innenfor stjernens beboelige sone. Men for å ta hensyn til de mange faktorene vi ennå ikke kan vite om disse eksoplanetene, er det to forskjellige kriterier for jordstørrelser. Katalogen har både en konservativ liste, som viser planeter opp til 1,6 ganger jordens radius eller tre ganger massen, og en optimistisk liste, som har planeter opp til 2,5 radius av jorden eller 10 ganger dens masse.

Det er fordi når vi leter etter potensiell beboelighet, leter vi etter steinete planeter som Jorden, og ikke etter gassplaneter. Eksoplaneter med lav tetthet, som gassgiganter, er ikke gode for livet fordi de er dårlige til å holde på næringsstoffene som må være tilgjengelige for livet – samme grunn til at du ikke finner liv i skyene på Jord. Planeter opp til omtrent to ganger størrelsen på jorden vil være steinete planeter, men planeter større enn det kan være en type som kalles en mini-Neptun eller gassdverg, som sannsynligvis ikke vil støtte liv.

Med over 5000 bekreftede eksoplaneter du kan tenke deg at katalogen ville liste hundrevis av kandidater for beboelighet, men faktisk er det relativt få – bare 21 på den konservative listen og ytterligere 38 på den optimistiske listen.

Kortheten til listen kan delvis skyldes at mange eksoplanetdeteksjonsmetoder er bedre til å finne større eksoplaneter enn mindre – det er generelt sett lettere å oppdage noe som er større – og noe forskning tyder på at kunne vært milliarder av jordlignende planeter i vår galakse. Men foreløpig er antallet eksoplaneter vi kan peke på som oppfyller de mest grunnleggende kriteriene for potensiell beboelighet fortsatt lavt.

Hvor du skal søke etter livet nå

Det faktum at det er få potensielt beboelige eksoplaneter vi kjenner til, betyr selvfølgelig ikke at vi bør gi opp å lete etter liv andre steder. På noen måter gjør det det lettere å bestemme forskningsmål når du har systemer som TRAPPIST-1, som antas å være vert for så mange som fire potensielt beboelige eksoplaneter og som vil være et nøkkelmål for det kommende vitenskapelige arbeidet til James Webb-romteleskopet.

Alle disse diskusjonene om beboelighet slår på ideen om at hvis det er liv andre steder i universet, vil det i det minste være sammenlignbart med livet her på jorden. Når vi snakker om krav til vann eller til visse næringsstoffer, baserer vi dette på livet vi har observert på planeten vår. Vi antar at andre steder vil være livet slik vi kjenner det, men det er absolutt mulig at det kan være liv av en helt annen form et sted der ute.

Mens forskere anerkjenner denne muligheten, har de ikke en tendens til å ta mye hensyn til konseptet fordi det ikke er praktisk nyttig for forskning. "Du vil ikke gjenkjenne livet siden vi ikke kjenner det," påpekte Méndez, så det er ikke noe vi kan søke etter.

Ser etter liv i vårt eget solsystem

Noen forskere hevder at i stedet for å se på eksoplaneter, kan vi se i vårt eget solsystem etter potensielt beboelige verdener – steder som Saturns måne Enceladus eller Jupiters måne Europa. Selv om de er for langt fra solen til å ha flytende vann på overflaten, antas begge å ha flytende saltvannhav under isete skorper.

Men Méndez er ikke overbevist om at disse stedene er veldig lovende steder for livet på grunn av de isete skorpene. Disse skorpene blokkerer tilgangen til enhver atmosfære og forhindrer at energi overføres fra overflaten, noe som gjør den dårlig egnet til å opprettholde liv. "Det er verre enn de dype havene på planeten vår. Det er mye verre enn noe annet på jorden," sa han. "Jeg tror ikke noe utover mikrobielt liv vil leve der."

Til og med å finne mikrobielt liv utenfor jorden ville være enormt spennende, derav målet med oppdrag som roveren Perseverance for å lete etter bevis på eldgammelt liv på Mars. Men Mars er ikke akkurat gjestfri i dag, selv om det kunne ha vært på et tidspunkt i fortiden. Beboelighetsstudier på Mars-miljøet er ikke lovende for at noe har overlevd der i dag: "Vi anslått at overflaten til Mars er tusen ganger verre enn Atacama-ørkenen,» for å opprettholde liv, Méndez sa.

Videre til Mars

Til tross for sine forbehold om de tørre forholdene på Mars, er Méndez pragmatisk om hvor vi kan finne bevis på liv hvis det eksisterer. "Hvis jeg måtte satse på hvor vi ville kunne finne liv, ville jeg satset på Mars," sa han, "selv om jeg elsker eksoplaneter mer!" Det er på grunn av problemet med deteksjon. Hvis du vil vite at en planet ikke bare er potensielt beboelig, men faktisk er vert for liv, trenger du bevis – og det beviset er ekstremt vanskelig å få tak i på lang avstand.

Med prøve-returoppdrag planlagt for Mars i de neste tiårene, er kappløpet i gang for å få et stykke Mars tilbake til jorden for studier. Disse prøvene er vår beste sjanse for en viss påvisning av liv. "Det definitive svaret vil komme hvis du har en prøve her på jorden, fordi du leter etter mikrobielt liv i svært lave mengder," forklarte han.

Drømmeforskningsscenariet ville være å samle en prøve fra et miljø på Mars som kan være beboelig etter jordstandarder, som en akvifer. Hvis vi fant bevis på liv i et slikt miljø, ville det vært flott – vi ville ha oppdaget at planeten vår ikke er den eneste som er vert for liv.

Men Méndez sier at det å ikke finne noen bevis på liv i et slikt miljø ville vært like spennende. "Hvis vi finner et beboelig sted etter terrestriske standarder og det ikke er liv der, vil det være fantastisk og spennende," sa han. "Hva gikk galt? Hva skjedde? Hvorfor er det ikke liv?" Gitt at liv eksisterer i så mange forskjellige miljøer på jorden, og vi vet det at Jorden og Mars har delt materiale via nedslag, ville det være rart om livet var begrenset til våre planet.

"Det ville være en stor åpenbaring å finne liv, men det negative resultatet ville være enda mer dyptgående," sa Méndez. "Det er ingen måte å gå galt her. Det er en vinn-vinn-situasjon. Svaret er på Mars, det er der. Og ethvert svar er dyptgående."

Redaktørenes anbefalinger

• Her er grunnen til at forskere tror at livet kan ha trivdes på "helvetesplaneten" Venus
• Astronomer ser en eksoplanet som lager spiralarmer rundt stjernen
• Det europeiske romfartøyet BepiColombo flyr for tredje gang forbi Mercury i dag
• Denne eksoplaneten er over 2000 grader Celsiu, har fordampet metall i atmosfæren
• Jakten på beboelige måner i solsystemet varmes opp