Een nabijgelegen potentieel bewoonbare exoplaneet met de massa van de aarde

[univers]

Astronomen vinden een zeldzame rotsachtige aardmassa-planeet die geschikt is om naar tekenen van leven te zoeken

03 FEBRUARI 2023
Een team van astronomen onder leiding van MPIA-wetenschapper Diana Kossakowski heeft een aardmassa-exoplaneet ontdekt die in een baan om de bewoonbare zone van de rode dwergster Wolf 1069 draait. de moederster, is het team optimistisch dat het duurzame bewoonbare omstandigheden kan bieden in een groot deel van zijn dagzijde. De afwezigheid van enige duidelijke stellaire activiteit of intense UV-straling vergroot de kans dat Wolf 1069 b veel van zijn atmosfeer heeft behouden. Daarom is de planeet een van de weinige veelbelovende doelen om te zoeken naar bewoonbaarheidsmarkeringen en biosignaturen. De resultaten verschijnen in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics .


Artistieke voorstelling van een rotsachtige aardmassa-exoplaneet zoals Wolf 1069 b in een baan om een ​​rode dwergster. Als de planeet zijn atmosfeer had behouden, is de kans groot dat hij over een groot deel van zijn dagzijde vloeibaar water en bewoonbare omstandigheden zou hebben.
© NASA/Ames Research Center/Daniel Rutter

Een van de meest opwindende doelen van exoplaneetonderzoek is het vinden van een bewoonbare wereld vergelijkbaar met de aarde. Van de meer dan 5000 exoplaneten die astronomen tot nu toe hebben ontdekt, heeft echter slechts ongeveer 1,5% een massa van minder dan twee aardmassa's. Ongeveer een dozijn van hen bevolken de zogenaamde circumstellaire bewoonbare zone, het bereik in een planetair systeem waar water een vloeibare vorm kan behouden op het oppervlak van de planeet. Waarnemingen die dergelijke planeten met een lage massa kunnen vinden, zijn nog steeds erg uitdagend.

Op zoek naar exoplaneten rond rode dwergsterren


Eigenschappen van de exoplaneet Wolf 1069 b

Een manier om de kansen te vergroten, is door sterren met een lage massa te onderzoeken op kenmerken van planeten in een baan. Dit is precies wat Diana Kossakowski en haar collega's deden in het kader van het CARMENES-programma. Dit project, met belangrijke bijdragen van het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Duitsland, maakt gebruik van het Calar Alto Observatorium in Spanje.

“ Toen we de gegevens van de ster Wolf 1069 analyseerden, ontdekten we een duidelijk signaal met lage amplitude van wat lijkt op een planeet met ongeveer de massa van de aarde. Het draait binnen 15,6 dagen om de ster op een afstand die gelijk is aan een vijftiende van de afstand tussen de aarde en de zon ', zegt Diana Kossakowski van MPIA. Zij is de hoofdauteur van het onderliggende artikel.

Ondanks de korte afstand ontvangt Wolf 1069 b slechts ongeveer 65% van het invallende stralingsvermogen van wat de aarde van de zon verkrijgt. In vergelijking met zonne-eigenschappen zendt Wolf 1069 veel minder straling uit en het oppervlak is koeler, waardoor de ster oranje lijkt. Deze eigenschappen resulteren in een verminderd verwarmingsvermogen. “ Hierdoor wordt de zogenaamde bewoonbare zone naar binnen verschoven ”, vermeldt Kossakowski. Daarom kunnen planeten rond rode dwergsterren zoals Wolf 1069 bewoonbaar zijn, ook al zijn ze veel dichter bij de zon dan de aarde. Co-auteur Jonas Kemmer van de Universiteit van Heidelberg voegt eraan toe: “ Het CARMENES-instrument is gebouwd met het doel om het gemakkelijker te maken om zoveel mogelijk potentieel bewoonbare werelden te ontdekken. ”

Wat betekent bewoonbaar?
Natuurlijk heeft het meer nodig dan vloeibaar water om een ​​bewoonbare planeet te vormen. Net als op aarde kan een atmosfeer die een natuurlijk broeikaseffect veroorzaakt, helpen de gemiddelde temperatuur te verhogen tot boven de 250 Kelvin (- 23 °C) berekend voor Wolf 1069 b. Deze waarde gaat uit van een eenvoudige kale rotsachtige planeet. De astronomen berekenden zelfs dat als het een aardatmosfeer zou hebben, de gemiddelde temperatuur zou kunnen oplopen tot 286 Kelvin (+ 13 °C), waardoor het water vloeibaar zou blijven in een groot gebied aan de kant van de planeet die naar de ster is gericht. Op basis van computersimulaties met behulp van complexe klimaatmodellen concludeert het team dat de planeet gematigde temperaturen en vloeibaar oppervlaktewater kan handhaven voor een breed scala aan atmosferische omstandigheden en oppervlaktetypes.


Gesimuleerde oppervlaktetemperatuurkaart van Wolf 1069 b, uitgaande van een moderne aardachtige atmosfeer. De kaart is gecentreerd op een punt dat altijd naar de centrale ster is gericht. De temperaturen worden gegeven in Kelvin (K). 273,15 K komt overeen met 0 °C. Vloeibaar water zou mogelijk zijn op het oppervlak van de planeet binnen de rode lijn
©Kossakowski et al. (2023) /MPIA

Bovendien zou zo'n atmosfeer bescherming bieden tegen hoogenergetische elektromagnetische straling en deeltjes die afkomstig zijn uit de interstellaire ruimte of de centrale ster. Vooral rode dwergsterren zijn berucht om hun activiteit die leidt tot enorme stellaire winden en intense UV-straling. Net als wat de zon met Mars deed, kunnen ze de atmosfeer van een planeet verwijderen, waardoor hun oppervlak onvruchtbaar wordt.

In tegenstelling tot bijvoorbeeld Proxima Centauri met zijn twee bevestigde planeten, lijkt Wolf 1069 goedaardig. De waarnemingen duiden niet op enige vorm van schadelijke stellaire activiteit. Toch is het waarschijnlijk nog te vroeg om al te optimistisch te zijn. Tijdens zijn jeugd heeft een rode dwergster de neiging om door een fase van hoge activiteit te gaan met ernstige gevolgen voor elke planeet in zijn omgeving. Als Wolf 1069 b echter al vroeg een atmosfeer had ontwikkeld en behouden, had hij die tot op de dag van vandaag moeten behouden. Het is zelfs mogelijk dat de planeet een magnetisch veld heeft dat vergelijkbaar is met, maar zwakker is dan dat van de aarde en dat het beschermt tegen geladen stellaire winddeeltjes.

Een eenzame planeet
Hoewel dit idee een beetje speculatief is, is de redenering goed. " Onze computersimulaties laten zien dat ongeveer 5% van alle evoluerende planetaire systemen rond sterren met een lage massa, zoals Wolf 1069, eindigen met een enkele detecteerbare planeet ", legt MPIA-wetenschapper Remo Burn uit, een teamlid van de studie. " De simulaties onthullen ook een fase van gewelddadige ontmoetingen met planetaire embryo's tijdens de constructie van het planetaire systeem, wat af en toe tot catastrofale gevolgen leidde ", voegt hij eraan toe. Deze gebeurtenissen zouden elke jonge, evoluerende wereld doen smelten. De planetaire kern zou vandaag nog steeds heet en vloeibaar moeten zijn en een dynamo leveren die een wereldwijd magnetisch veld produceert - vergelijkbaar met de aarde.

Wolf 1069 b lijkt een van die zeldzame eenzame planeten te zijn. Op basis van hun metingen sluiten de astronomen extra planeten uit met minstens één aardmassa en omlooptijden van minder dan tien dagen. Dat is lager dan de 15,6 dagen die ze bepaalden voor Wolf 1069 d. Ze kunnen echter niet uitsluiten dat planeten zich in bredere banen bevinden.

Eeuwige dag en nacht
Hoewel Wolf 1069 b een veelbelovende kandidaat is om zijn voorwaarden met betrekking tot bewoonbaarheid verder te beperken, is er een bijzondere eigenschap die hij deelt met vrijwel alle planeten in de bewoonbare zones van rode dwergsterren. Zijn rotatie is waarschijnlijk getijde-gebonden aan zijn baan rond de moederster. Met andere woorden, één omwenteling om zijn as duurt net zo lang als één volledige omwenteling. Omdat dezelfde kant altijd naar de ster is gericht, ervaart hij de eeuwige dag terwijl er altijd nacht is op het tegenovergestelde halfrond.

Door hetzelfde fenomeen kunnen we altijd dezelfde kant van de maan zien. Getijdekrachten vervormen de planeet enigszins weg van zijn symmetrische vorm naar een ellipsoïde. Hierdoor werkt de zwaartekracht van de ster anders over het oppervlak van de planeet, wat resulteert in een remmend effect. Na verloop van tijd nadert de rotatieperiode dus geleidelijk de omlooptijd. De effectiviteit van getijdenvergrendeling hangt af van de afstand tot de ster en zijn massa. Voor rode dwergsterren valt dat bereik in grote lijnen samen met de locatie van de bewoonbare zone. Als gevolg hiervan komen potentieel bewoonbare omstandigheden alleen voor in een beperkt gebied aan de dagzijde van de planeet.

Het vinden van planeten met de massa van de aarde is hard werken


Illustratie die drie exoplaneetsystemen van rode dwergsterren vergelijkt die aardmassa-planeten herbergen. De groene ringen geven de individuele bewoonbare zones aan.
© Grafische afdeling MPIA/J. Neidel

De technologische vooruitgang sinds de eerste ontdekking van een exoplaneet bijna 30 jaar geleden is adembenemend. Toch zijn de kenmerken waarnaar astronomen zoeken om planeten te detecteren met massa's en diameters die vergelijkbaar zijn met die van de aarde, klein en nog steeds moeilijk uit de metingen te halen. Het CARMENES-programma gebruikt de radiale snelheidsmethode (RV) om te zoeken naar exoplaneten rond lichte sterren. Deze techniek meet kleine periodieke variaties in de stellaire spectra, wat duidt op een metgezel die door de zwaartekracht aan de gastster trekt. De ster volgt dus een baan die de baan van de planeet weerspiegelt, zij het op een veel kleinere afstand van hun gemeenschappelijke zwaartepunt. Dit effect wordt meer uitgesproken voor lagere massaverhoudingen tussen de ster en de planeet, zoals het geval is bij het observeren van rode dwergsterren met een lage massa.

Tijdens één omwenteling nadert de ster ons aan de ene kant en trekt zich aan de andere kant terug. Astronomen leiden de resulterende kleine verandering in snelheid af door de periodieke verplaatsing van de stellaire spectraallijnen te meten. Hieruit berekenen ze de massa van de planeet - of in ieder geval een ondergrens omdat de onbekende kanteling van het baanvlak de gemeten snelheid wijzigt, die over het algemeen iets kleiner is dan de werkelijke baansnelheid van de planeet.

Net als bij Wolf 1069 b zijn die signalen zo klein dat ze complexe en geavanceerde analytische procedures vereisen om ze te onderscheiden van artefacten in de spectra. Ze komen voort uit vele invloeden. Voordat het stellaire licht bijvoorbeeld de telescoop binnenkomt, gaat het door de atmosfeer van de aarde, die zijn eigen sterke terrestrische spectrum op dat van de ster legt. Het ontwarren van die bijdragen is een uitdaging en kan de resultaten beïnvloeden als het niet correct wordt gedaan.

Slechts een handvol kandidaten voor toekomstige karakterisering van exoplaneten
Met een afstand van 31 lichtjaar is Wolf 1069 b de zesde dichtstbijzijnde aardmassaplaneet in de bewoonbare zone van zijn gastster. Vanwege zijn gunstige vooruitzichten met betrekking tot bewoonbaarheid, behoort het tot een kleine illustere groep doelwitten, zoals Proxima Centauri b en TRAPPIST-1 e, om te zoeken naar biosignaturen. Helaas vallen dergelijke waarnemingen momenteel buiten de mogelijkheden van astronomisch onderzoek.

“ Hier zullen we waarschijnlijk nog tien jaar op moeten wachten ”, merkt Kossakowski op. “ Hoewel het van cruciaal belang is dat we onze faciliteiten ontwikkelen, aangezien de meeste van de dichtstbijzijnde potentieel bewoonbare werelden alleen via de RV-methode worden gedetecteerd. De Extreem Grote Telescoop (ELT), die in Chili in aanbouw is, kan mogelijk de omstandigheden van die planeten karakteriseren. Tot die tijd kijken Kossakowski en haar team uit naar meer spannende kandidaten zoals Wolf 1069 b.

https://www.mpia.de/news/science/2023-02-wolf1069b