Möjlig atmosfärisk förstörelse av en potentiellt beboelig exoplanet

Ekvatoriella snitt av magnetfältet (nT är nanoteslas) för rymden inuti och vid Trappist-1e (vänster) och för solens rotation 2016 på samma avstånd (höger), mätt med Carrington Rotation Number, en särskild 27-dagarsperiod av solens rotation som hade ett minimum av solfläckar och solaktivitet, vilket inträffade från den 11 november till den 9 december 1996. Kredit: The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad206a
Ekvatoriella snitt av magnetfältet (nT är nanoteslas) för rymden inuti och vid Trappist-1e (vänster) och för solens rotation 2016 på samma avstånd (höger), mätt med Carrington Rotation Number, en särskild 27-dagarsperiod av solens rotation som hade ett minimum av solfläckar och solaktivitet, vilket inträffade från den 11 november till den 9 december 1996. Kredit: The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad206a

Astrofysiker som studerar en populär exoplanet i sin stjärnas beboeliga zon har upptäckt att elektriska strömmar i planetens övre atmosfär kan skapa tillräcklig uppvärmning för att expandera atmosfären så mycket att den lämnar planeten, vilket sannolikt skulle göra planeten obeboelig.

Fram till nu har planetforskare trott att en beboelig planet behöver ett starkt magnetfält som omger den för att fungera som en sköld som leder joniserade partiklar, röntgenstrålar och ultraviolett strålning i stjärnvinden runt och bort från dess atmosfär.

Det är vad som händer på jorden, vilket förhindrar att farlig strålning når livet på ytan, och vad som inte händer på Mars, som nu saknar ett globalt magnetfält, vilket innebär att eventuella första invånare på den röda planeten förmodligen kommer att behöva leva i underjordiska grottor och hålrum för att skydda sig mot solvinden.

I den nya forskningen, som publicerades i The Astrophysical Journal av Ofer Cohen från Lowell Center for Space Science and Technology vid University of Massachusetts Lowell och kollegor, undersöktes om elektriska strömmar som genereras i jonosfären på exoplaneten Trappist-1e skulle leda till tillräcklig uppvärmning och expansion av atmosfären för att den skulle kunna spridas bort från planetens gravitation och gå förlorad i rymden.

TRAPPIST-1e är en sval M-dvärgstjärna i stjärnbilden Vattumannen, ca 41 ljusår från jorden. Dess planetsystem, som har sju observerade exoplaneter, är det mest noggrant studerade systemet utanför vårt eget solsystem.

Tre av dessa planeter befinner sig i stjärnans beboeliga zon, med yttemperaturer där flytande vatten skulle kunna existera. Eftersom M-dvärgar, som utgör ca 70 % av universums stjärnor, är kallare än vår sol ligger dessa zoner mycket närmare dessa stjärnor.

Trappist-1e, en exoplanet som upptäcktes 2017, kretsar bara 0,028 AU från sin stjärna (där 1 AU är det genomsnittliga avståndet från solen till jorden; Merkurius kretsar vid ca 0,4 AU). Den är stenig och jordlik, dess genomsnittliga densitet är bara 2 % större än jordens och dess ytgravitation 82 %. Dessutom har den en jämviktstemperatur på 246 Kelvin, bara 9 K under jordens.

Dessa egenskaper gör Trappist-1e till en av de mest intressanta av alla exoplaneter som hittills har upptäckts. Men har den en atmosfär? Eftersom den befinner sig mycket närmare sin stjärna bör stjärnvindarna vara mycket starkare än på till exempel Merkurius, som inte har någon atmosfär.

Tidigare arbete visade att stjärnvindar från Trappist-1 potentiellt skulle kunna avlägsna en väterik atmosfär från dess exoplaneter genom fotoförångning, men komplexiteten i modelleringen innebär att dessa planeter kan ha en mängd olika atmosfäriska miljöer.

Men en annan potentiell mekanism är när externa laddade stjärnvindar påverkar den joniserade övre atmosfären. I tidigare arbeten fann Cohen och andra att de tre Trappist-exoplaneterna e, f och g kan utsättas för resistiv likströmsuppvärmning (DC) på upp till 1 watt per kvadratmeter, 1% av den inkommande solstrålningen och 5 till 15 gånger stjärnornas energi från extrem ultraviolett strålning, när ledningsförmågan och impedansen är lika stora. Sådan ”Joule-uppvärmning” skulle potentiellt kunna avlägsna atmosfären från någon av dessa planeter. (På jorden är Joule-uppvärmningen ca 0,01 W/m2).

Nu har Cohen och hans kollegor modellerat ett annat fenomen som också skulle kunna påverka Trappist-1-planeternas atmosfärer: uppvärmning på grund av planetens egen rörelse. Växlande elektriska strömmar (AC) kommer att genereras i planetens övre atmosfär när den möter ett föränderligt magnetfält från stjärnan när planeten kretsar kring sin stjärna (Faradays induktionslag).

Närliggande planeter kretsar mycket snabbt – Trappist-1es omloppstid är bara 6,1 jorddagar – och den snabba förändringen i bakgrundsmagnetfältet leder till att starka jonosfäriska strömmar genereras som sprids och skapar potentiellt mycket hög värme, vilket de kallar spänningsdriven Joule-uppvärmning.

Eftersom astronomerna inte har några mätningar av Trappist-1:s stjärnvind och magnetfält använde gruppen validerade fysikbaserade modeller för att beräkna dess energiproduktion, dess solvind och det föränderliga magnetfältet på Trappist-1e-avståndet. Med hjälp av rimliga uppskattningar av bredden på Trappist 1e:s jonosfär, dess konduktans och storleken på det föränderliga magnetfältet visar deras resultat att Joule-uppvärmningens energiflöde i planetens övre atmosfär skulle variera från 0,01 till 100 W/m2, en betydande mängd uppvärmning som kan vara större än den som beror på extremt ultraviolett och 1 till 10% av det stellära energiflödet på planeten.

De drar slutsatsen att sådana intensiva värden kan orsaka en stark atmosfärisk flykt och ”kan leda till en snabb förlust av atmosfären”. Det innebär att astrobiologer och andra bör ta hänsyn till Joule-uppvärmning när de överväger en exoplanets beboelighet.

”Det är troligt att båda mekanismerna samverkar i närbelägna exoplaneter”, säger Cohen. ”Därför kan vårt arbete (och vår kunskap om solsystemet) tyda på att exoplaneter som ligger mycket nära stjärnan sannolikt är nakna planeter utan atmosfär.”

Cohen konstaterar att deras arbete har ett politiskt inslag, eftersom många team undersöker Trappist-1-planeternas atmosfärer. James Webb Space Telescope (JWST) har redan börjat observera detta systems planetatmosfärer (och inte hittat några), och det finns planer på att göra mer. ”Det här kan vara lite av ett slöseri med resurser om det inte finns någon atmosfär att studera”, säger Cohen.

Ytterligare information: Ofer Cohen et al, Heating of the Atmospheres of Short-orbit Exoplanets by Their Rapid Orbital Motion through an Extreme Space Environment, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad206a

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.