Vad exakt gör en exoplanet "beboelig"?

Ett av de mest spännande ämnena inom astronomi idag är sökandet efter exoplaneter, eller planeter bortom vårt solsystem. Vi har hittat över 5 000 exoplaneter hittills, och fler upptäcks varje år. Och exoplanetforskningens heliga gral är att hitta beboeliga planeter där vi kan leta efter liv bortom vår egen planet.

Om du är intresserad av astronomi har du förmodligen sett nyhetsrubriker om beboeliga exoplaneter som har upptäckts genom uppdrag som NASA: s Kepler Space Telescope eller Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Dessa planeter är typiskt jordlika och kan ha flytande vatten på sin yta, och man tror att de potentiellt skulle kunna försörja liv. Men hur kan vi avgöra om en planet är beboelig på miljontals mils avstånd? Och vad exakt menar vi med beboelig egentligen?

Vi pratade med beboelighetsexperten Abel Méndez från Planetary Habitability Laboratory på University of Puerto Rico i Arecibo, som berättade för oss att beboelighet är mycket mer komplicerad än du kanske tror.

Beboelighet är inte binär

Sättet som de flesta människor talar om beboelighet är som om det vore ett binärt tillstånd. Antingen är en planet beboelig, eller så är den inte det. Men när du tänker på frågan på djupet är det tydligt att den här definitionen inte fungerar. Menar vi beboelig som kan upprätthålla mänskligt liv? Eller mikrobiellt liv? Menar vi att det är en bekväm miljö för livet att lyckas eller en där överlevnad är svår men teoretiskt möjlig? Menar vi att livet kunde ha utvecklats i den miljön, eller att om livet kom dit kunde det överleva?

Det finns inget tydligt svar på dessa frågor, varför det är ett misstag att tänka på beboelighet som en ja/nej-fråga. Istället bör vi tänka på beboelighet som ett mått på lämplighet för en viss typ av liv.

Denna förvirring existerar inte bara bland allmänheten. Méndez sa att det finns en brist på konsensus bland forskare om vad beboelighet betyder också. Det är "ett laddat ord", sa han, "för i våra vanliga samtal betyder beboelighet beboelighet för människor." Men när vi tittar på andra planeter tänker vi inte bara på människor, utan också på andra typer av livet.

Hela tiden som astrobiologer hade undrat över exoplaneternas beboelighet vände det Där ute fanns en annan grupp människor som har tänkt på beboelighet i decennier: Ekologer. Ekologer talar om "livsmiljölämplighet" för miljöer här på jorden - som i en viss miljös lämplighet för att en viss typ av liv ska frodas. Det var precis vad astrobiologiska samfundet försökte komma fram till med sin exoplanetforskning.

Tidigt i sin forskning om ämnet kom Méndez över detta ekologiarbete, han sa: "Jag insåg att vad människor i astrobiologifältet försökte göra – att definiera och kvantifiera beboelighet – gjordes redan för decennier sedan av ekologer.”

Hur är det med den beboeliga zonen?

Problemet handlar alltså inte om att avgöra om en exoplanet är beboelig eller inte, utan snarare om att avgöra vilka egenskaper som skulle göra den lämplig för olika typer av liv.

Ett relativt enkelt ställe att börja är med kravet på att flytande vatten ska finnas tillgängligt. Flytande vatten är viktigt för nästan alla former av liv som vi känner det på grund av dess lösningsmedelsegenskaper. Många saker löser sig i vatten, vilket betyder att det är bra för att blanda ihop saker som möjliggör kemiska reaktioner. Det spelar också en viktig roll i hur enzymer fungerar. Så när forskare har föreställt sig kraven för en beboelig exoplanet är det att ha flytande vatten tillgängligt högst upp på listan.

Det är detta som ger oss idén om den "beboeliga zonen". Detta är ett område runt en stjärna där det uppskattas att en planet skulle ha rätt temperatur för att ha flytande vatten på sin yta. Om vi ​​skulle hitta en Jordliknande planet inom en stjärnas beboeliga zon resonemanget lyder, vi skulle ha hittat en bra utgångspunkt för att leta efter livet.

Att befinna sig i den beboeliga zonen är dock inte allt och slutet av beboelighet. Det är bara ett grundläggande krav. Och, säger Méndez, termen har orsakat "mycket förvirring", eftersom astronomer ofta säger att en planet är beboelig när de menar att den är i den beboeliga zonen. Han föredrar termen "potentiellt beboelig" för att klargöra att detta är långt ifrån en avgjord fråga.

Faktorer för beboelighet

Ok, så flytande vatten är ett måste. Vad mer krävs för att en planet ska vara värd för liv? Vi har en solid förståelse för det baserat på livsformer härifrån på jorden. När det gäller att bedöma exoplanets beboelighet vill astrobiologer veta om faktorer som en planets massa och radie, såväl som dess yttemperatur, tryck och den del av planeten som är täckt av vatten.

Det är utmanande att fastställa dessa faktorer för en given exoplanet. För de flesta exoplaneter som upptäckts nu kan vi veta faktorer som deras omloppsperiod, deras radie eller massa och deras stjärnflöde, vilket är mängden strålning de får från sin värdstjärna. Men för att veta deras yttemperatur eller tryck, till exempel, skulle vi behöva veta om deras atmosfärer.

För att se varför, titta på vårt eget solsystem. Venus har den högsta yttemperaturen i solsystemet, även om den är längre bort från solen än Merkurius. Det beror på att Venus har en extremt tjock atmosfär som fångar värmen och höjer yttemperaturen. En utomjordisk astrobiolog som tittar på vårt solsystem kanske inte vet hur varm Venus var eftersom det inte är uppenbart på avstånd.

Framtida arbete utfört av teleskop som James Webb rymdteleskop kommer att göra det möjligt för oss att lära oss mer om exoplanetatmosfärer, men för nu måste forskare uppskatta yttemperaturer.

Mängden vatten som täcks av ytan är också viktig. Kallas havsfraktionen, detta är viktigt eftersom havens dynamiska natur gör dem bra på att transportera näringsämnen runt en planet för att göra platsen mer gästvänlig för livet.

Vi har för närvarande inga instrument som kan mäta havsfraktionen av exoplaneter. Det finns dock idéer för framtida teleskop som skulle kunna titta på hur mängden ljus som reflekteras av en exoplanet förändras när den roterar, vilket kan indikera mängden hav som täcker dess yta.

Trots all komplexitet i att bestämma dessa faktorer, tror Méndez att exoplanetvetenskapen utvecklas så snabbt att vi kommer att kunna mäta dem inom de närmaste tjugo åren. "Tio år för atmosfärsmätningar med olika instrument, sedan tio år för nya teleskop som kommer att kunna se planeter individuellt och mäta havsfraktionen," förutspådde han.

En katalog över potentiellt beboeliga exoplaneter

Att kunna studera exoplaneter så detaljerat under kommande decennier är spännande, men forskare vill också studera potentiellt beboeliga exoplaneter nu. Av den anledningen upprätthåller Méndez grupp Katalog för beboeliga exoplaneter, som är en lista över alla potentiellt beboeliga exoplaneter som hittills upptäckts.

För att inkluderas i katalogen måste en planet vara ungefär jordens storlek och kretsa inom sin stjärnas beboeliga zon. Men för att ta hänsyn till de många faktorer som vi ännu inte kan veta om dessa exoplaneter, finns det två olika kriterier för medelstora medel på jorden. Katalogen har både en konservativ lista, som listar planeter upp till 1,6 gånger jordens radie eller tre gånger dess massa, och en optimistisk lista, som har planeter upp till 2,5 radie av jorden eller 10 gånger dess massa.

Det beror på att när vi letar efter potentiell beboelighet letar vi efter steniga planeter som jorden, och inte efter gasplaneter. Exoplaneter med låg densitet, som gasjättar, är inte bra för livet eftersom de är dåliga på att hålla fast näringsämnena som behöver vara tillgängliga för livet – av samma anledning som du inte hittar liv i molnen på Jorden. Planeter upp till ungefär två gånger jordens storlek kommer att vara steniga planeter, men planeter större än så kan vara en typ som kallas en mini-Neptunus eller gasdvärg, som sannolikt inte kommer att försörja liv.

Med över 5 000 bekräftade exoplaneter du kan föreställa dig att katalogen skulle lista hundratals kandidater för beboelighet, men i själva verket finns det relativt få – bara 21 på den konservativa listan och ytterligare 38 på den optimistiska listan.

Kortheten i listan kan delvis bero på att många exoplanetdetekteringsmetoder är bättre på att hitta större exoplaneter än mindre – det är generellt sett lättare att upptäcka något som är större – och viss forskning tyder på att det finns kan vara miljarder jordliknande planeter i vår galax. Men för närvarande är antalet exoplaneter vi kan peka på som uppfyller de mest grundläggande kriterierna för potentiell beboelighet fortfarande lågt.

Var man kan söka efter livet nu

Det faktum att det finns få potentiellt beboeliga exoplaneter vi känner till betyder naturligtvis inte att vi ska ge upp att leta efter liv någon annanstans. På vissa sätt gör det att besluta om forskningsmål lättare när du har system som TRAPPIST-1, som tros vara värd för så många som fyra potentiellt beboeliga exoplaneter och som kommer att vara ett nyckelmål för det kommande vetenskapsarbetet av James Webb rymdteleskop.

Alla dessa diskussioner om beboelighet vänder på tanken att om det finns liv någon annanstans i universum så kommer det åtminstone att vara jämförbart med livet här på jorden. När vi pratar om krav på vatten eller för vissa näringsämnen, baserar vi detta på det liv vi har observerat på vår planet. Vi antar att någon annanstans kommer att finnas livet som vi känner det, men det är säkert möjligt att det kan finnas liv av en helt annan form någonstans där ute.

Även om forskare erkänner denna möjlighet, tenderar de inte att ta mycket hänsyn till konceptet eftersom det inte är praktiskt användbart för forskning. "Du kommer inte att känna igen livet eftersom vi inte vet det," påpekade Méndez, så det är inget vi kan leta efter.

Letar efter liv i vårt eget solsystem

Vissa forskare hävdar att snarare än att titta på exoplaneter kan vi leta i vårt eget solsystem efter potentiellt beboeliga världar - platser som Saturnus måne Enceladus eller Jupiters måne Europa. Även om de är för långt från solen för att ha flytande vatten på sina ytor, tros båda ha flytande saltvattenhav under isiga skorpor.

Men Méndez är inte övertygad om att dessa platser är mycket lovande platser för livet på grund av de isiga skorporna. Dessa skorpor blockerar tillgången till all atmosfär och förhindrar att energi överförs från ytan, vilket gör den dåligt lämpad för att upprätthålla liv. "Det är värre än de djupa haven på vår planet. Det är mycket värre än något annat på jorden, säger han. "Jag tror inte att något utöver mikrobiellt liv kommer att leva där."

Till och med att hitta mikrobiellt liv utanför jorden skulle vara enormt spännande, därav syftet med uppdrag som roveren Perseverance för att leta efter bevis på forntida liv på Mars. Men Mars är inte direkt gästvänlig idag, även om det kunde ha varit vid ett tillfälle i sitt förflutna. Bebyggelsestudier om Mars-miljön är inte lovande för att något skulle ha överlevt där idag: "Vi uppskattade att Mars yta är tusen gånger värre än Atacamaöknen", för att upprätthålla liv, Méndez sa.

Vidare till Mars

Trots sina reservationer om de torra förhållandena på Mars är Méndez pragmatisk om var vi kan hitta bevis på liv om det existerar. "Om jag var tvungen att satsa på var vi skulle kunna hitta liv, skulle jag satsa på Mars," sa han, "även om jag älskar exoplaneter mer!" Det beror på problemet med upptäckt. Om du vill veta att en planet inte bara är potentiellt beboelig utan faktiskt är värd för liv, behöver du bevis – och det beviset är extremt svårt att få på långt avstånd.

Med provuppdrag för återvändande planerade för Mars under de kommande decennierna, pågår loppet för att få tillbaka en bit av Mars till jorden för studier. Dessa prover är vår bästa chans för en viss upptäckt av liv. "Det definitiva svaret kommer om du har ett prov här på jorden, eftersom du letar efter mikrobiellt liv i mycket små mängder," förklarade han.

Drömforskningsscenariot skulle vara att samla in ett prov från en miljö på Mars som skulle kunna vara beboelig enligt jordens standarder, som en akvifer. Om vi ​​hittade bevis på liv i en sådan miljö skulle det vara bra – vi skulle ha upptäckt att vår planet inte är den enda som är värd för liv.

Men Méndez säger att det skulle vara lika spännande att inte hitta några bevis på liv i en sådan miljö. "Om vi ​​hittar en beboelig plats enligt markmässiga standarder och det inte finns något liv där, kommer det att vara fantastiskt och spännande," sa han. "Vad gick fel? Vad hände? Varför finns det inget liv?” Med tanke på att liv finns i så många olika miljöer på jorden, och det vet vi att jorden och Mars har delat material via nedslag, det skulle verkligen vara konstigt om livet var begränsat till våra planet.

"Det skulle vara en stor uppenbarelse att hitta liv, men det negativa resultatet skulle bli ännu djupare," sa Méndez. "Det finns inget sätt att gå fel här. Det är en win-win situation. Svaret finns på Mars, det är precis där. Och alla svar är djupgående."

Redaktörens rekommendationer

• Här är anledningen till att forskare tror att livet kan ha frodats på "helvetesplaneten" Venus
• Astronomer ser en exoplanet som skapar spiralarmar runt sin stjärna
• Europeiska rymdfarkosten BepiColombo gör sin tredje Mercury förbi i dag
• Denna exoplanet är över 2 000 grader Celsius, har förångat metall i sin atmosfär
• Jakten på beboeliga månar i solsystemet värms upp