13 december 2019

Astrofysici modelleren ‘tweeling’ Aarde in binair Alpha Centauri systeem

Een onderzoeksteam van het Georgia Institute of Technology heeft in het kader van NASA’s Exobiology Program een theoretische tweeling van de aarde gemodelleerd in een binair stersysteem i.c. Alpha Centauri. Het onderzoek onthulde dat zo een 87% van de exo-aarden die men in binaire systemen zou kunnen vinden, ashellingen moeten hebben die even stabiel zijn als die van de aarde, een belangrijk ingrediënt voor klimaatstabiliteit die de evolutie van complex leven begunstigt. “Meervoudige stersystemen komen vaak voor, ongeveer 50% van de sterren hebben binaire metgezelsterren. Dus deze studie kan worden toegepast op een groot aantal zonnestelsels,” aldus Gongjie Li, assistent professor aan Georgia Tech. Het team bestond naast prof. Li van GIT’s Centre for Relativistic Astrophysics verder uit projectleider Billy Quarles, tevens verbonden aan GIT en Jack Lissauer van NASA’s Ames Research Center. De Georgia Tech studie gaf ook meer inzicht in hoe het komt dat een van de sterren, in dit relatief nabije systeem, mogelijk meer bewoonbaar is dan de andere. Het wetenschappelijk artikel n.a.v. het onderzoek heet: “Obliquity Evolution of Circumstellar Planets in Sun-like Stellar Binaries” en verscheen recent in het Astrophysical Journal*.

Alpha Centauri A (l) en Alpha Centauri B, in rode cirkel midden Proxima credits; Wikipedia Commons / Skatebiker

Het aantal bekende exoplaneten mag dan wel in relatief korte tijd fors gestegen zijn,  er zijn ruim 4000 bevestigde detecties, en nog bijna evenveel kandidaten zijn in afwachting van bevestiging – maar de extra aandacht gaat, niet geheel onbegrijpelijk i.v.m. toekomstige interstellaire reizen, uit naar de meer nabije stersystemen en hun potentiële exoplaneten. Met een afstand van 4,32 lichtjaar is Alpha Centauri het voor ons dichtstbijzijnde stersysteem. Het Alpha Centauri systeem bestaat uit Alpha Centauri A, een gele ster van het G-type die iets groter is dan onze zon, en Alpha Centauri B – een oranje ster van het K-type die meer weg heeft van onze zon. Dan is er nog Proxima Centauri. Naar alle waarschijnlijkheid vormt Alpha Centauri samen met deze veel zwakkere Proxima Centauri een drievoudig stelsel.

Hoewel recent nog een potentieel bewoonbare planeet werd ontdekt rond Proxima Centauri (Proxima b) blijven exoplaneten rondom Alpha Centauri vooralsnog een flinke puzzel. Men hoopte met het onderzoek ook meer inzicht te krijgen in waarom de ene exoplaneet mogelijk meer ‘bewoonbaar’ is dan de andere. Om te bepalen of en welke ster van  Alpha Centauri bewoonbare exoplaneten in hun omgeving zou kunnen bevatten, modelleerde de astrofysici dus een theoretische tweeling van onze aarde in dit Alpha Centauri systeem. Hieruit bleek dat potentieel leven ondersteunende exoplaneten, welke te vinden zijn in de ‘habitable zones’ of bewoonbare zones, waarschijnlijker te vinden zijn rondom de Alpha Centauri A.

In 2012 dachten astronomen dat ze een kandidaat-exoplaneet hadden gevonden die rond Alpha Centauri B cirkelde (aangeduid als Alpha Centauri Bb). Helaas heeft de daaropvolgende analyse astronomen ertoe gebracht tegen 2015 aan te kondigen dat dit een vals positief was. Een mogelijke planetaire transit werd opgemerkt in 2013, maar deze potentiële kandidaat was naar verluidt te dicht bij de ster om leven te kunnen ondersteunen. Om te bepalen of Alpha Centauri bewoonbare exoplaneten kon bevatten, modelleerde men dus een ‘tweeling’ aarde. De aanpak bestond uit het contrasteren van hoe de axiale kanteling van de aarde, schuine stand, in de tijd varieert in vergelijking met de variatie van de axiale kanteling van Mars. Vervolgens hebben ze deze exo-Aarde  gemodelleerd met omringende bewoonbare zones van Alpha Centauri A en B’s, (Goldilocks-zones) of circumstellaire bewoonbare zone (CHZ), het bereik van banen rond een ster waarbinnen een planetair oppervlak vloeibaar water kan ondersteunen bij voldoende atmosferische druk.

Alpha Centauri A en B, bewoonbare zone’s credits; PHL / UPR Arecibo

Hoewel beide planeten op dezelfde manier neigen – 23,4 ° versus 25,19 ° ten opzichte van hun omloopvlak – is de obliquiteit van Mars in de loop van de tijd meer veranderd. En terwijl de stabiliteit van de aardkantelingen in de loop van de tijd voor een stabiel klimaat heeft gezorgd, zijn de meer uitgesproken variaties van Mars een belangrijke factor in de overgang van een warmere, nattere wereld naar de koude en onherbergzame plaats die het vandaag is. Kortom, veranderingen in de aardehelling zijn verantwoordelijk voor hoe de aarde die ijstijden en warme tijdperken ervaart (ook wel glaciale en interglaciale perioden genoemd). De precessie van de kanteling van de aarde is echter zacht en langzaam, variërend tussen 22,1 ° en 24,5 ° in de loop van 41.000 jaar. Dit soort langetermijnovergangen hebben levensvormen voldoende tijd gegeven om zich aan te passen en te evolueren, en hebben ook voorkomen dat een periode te lang of te extreem was.

De as van Mars daarentegen varieert elke 2 miljoen jaar tussen 10 ° en 60 °. Wanneer gekanteld tot 10 °, condenseert de atmosfeer op de polen en zorgt ervoor dat zowel waterdamp als koolstofdioxide stollen, waardoor het ijs uitzet. Bij een hellingshoek van 60 ° zal Mars eerder een ijsgordel rond zijn evenaar laten groeien, waar het anders veel warmer is en op een zomermiddag oppervlaktetemperaturen tot 35 ° C  ervaart. De aanwezigheid van de maan is ook een factor, omdat de zwaartekracht helpt om onze as te stabiliseren. Zonder de maan zouden de zwaartekrachtsinteracties van de aarde met Mercurius, Venus, Mars en Jupiter heftigere veranderingen in onze kanteling veroorzaken. “Als we geen maan hadden, zou de kanteling van de aarde ongeveer 60 graden kunnen variëren,” zei Quarles in een recent interview. “We zouden misschien op Mars lijken, en de precessie van zijn as lijkt te hebben bijgedragen aan een verlies van atmosfeer.”

De studie modelleerde variaties van een exo-Aarde in Alpha Centauri AB. In Alpha Centauri AB, ster B, ongeveer de grootte van onze zon, en de grotere ster, A, cirkelen rond elkaar op ongeveer de afstand tussen Uranus en onze zon, dat vrij dichtbij is voor twee sterren in een binair systeem. De studie modelleerde variaties van een exo-Aarde die rond beider sterren draaide maar zich concentreerde op een gemodelleerde aarde die in de bewoonbare zone rond B draaide, waarbij A de cirkelende ster was. De baan van A is erg elliptisch. De zeer elliptische baan van A met B zorgt ervoor dat zodra A, B dicht passeert voordat hij zich ver weg verplaatst, een krachtige zwaartekrachtslinger genereert welke in het model de eigen dynamiek van exo-Aaarde overwon. De kanteling en baan liepen sterk uiteen; onze maan toevoegen aan het model hielp niet, het maakte de axiale instabiliteit erger. Hoewel Alpha Centauri A het relatief goed deed in deze simulatie, waren de resultaten niet bemoedigend voor die Alpha Centauri B – waaruit bleek dat een aardachtig exoplaneet onwaarschijnlijk in staat zou zijn om het leven in B’ s CHZ te ondersteunen. Kortom, Alpha Centauri A en B draaien om elkaar op ongeveer dezelfde afstand als Uranus en onze zon, de zeer elliptische baan van A met B zorgt ervoor dat zodra A, B dicht passeert er een zwaartekrachtslinger wordt gegenereerd wat het effect van de eigen dynamiek van de exo-Aarde overmeesterde, waardoor  kanteling en baan sterk varieerden.

Quarles:  “Het grootste effect dat je zou zien, zijn verschillen in de klimaatcycli met betrekking tot hoe lang de baan is. In plaats van om de 100.000 jaar zoals op aarde ijstijden te hebben, kunnen ze om de 1 miljoen jaar komen, erger zijn en veel langer meegaan.” Met deze resultaten in de hand, breidde het team vervolgens hun studie uit naar  een breder universum. Zoals gezegd heeft 50% van de sterren in het bekende heelal binaire metgezellen. Prof. Li zei: “In het algemeen is de scheiding tussen de sterren groter in binaire systemen, en dan heeft de tweede ster minder effect op het model van de aarde. De eigen bewegingsdynamiek van de planeet domineert andere invloeden, en obliquiteit heeft meestal een kleinere variatie. Dus dit is behoorlijk optimistisch. ” Het team kwam tot de conclusie dat 87% van de “aarde-achtige” exoplaneten in systemen waarschijnlijk axiale kantelingen hebben vergelijkbaar met die van de aarde – die stabiel helt op 23,4 °. En dat een planeet met de juiste soort orbitale mechanica leven kan ondersteunen. Planetaire baan en spin moeten precies goed zijn ten opzichte van de binaire baan. Quarles: “We hebben gesimuleerd hoe het zou zijn rond andere binaries met meerdere variaties van de massa van de sterren, orbitale eigenschappen, enzovoort. De algemene boodschap was positief, maar niet voor onze naaste buur. ” En hoewel het enigszins ontmoedigend is te bedenken dat Alpha Centauri misschien geen bewoonbare planeten heeft o.a. voor bv project Breakthrough Starshot, is het goed om te weten dat 50% van de sterren in het bekende universum een kans hebben om het leven te ondersteunen. Bron: Georgia Tech Horizons / Technology.org / Universe Today

* The Astrophysical Journal, 2019; 886 (1): 56 DOI: 10.3847/1538-4357/ab46b5

Comments

  1. “Meervoudige sterrenstelsels komen vaak voor …”

    Het gaat niet over sterrenstelsels, maar stersystemen of zonnestelsels. Assistent professor Gongjie Li heeft het (in het Engels) zeker niet gehad over “multiple galaxies”, maar (mogelijk) wel over “multiple star systems”.

  2. Angele van Oosterom zegt

    Dank voor het even erop attent maken, dit was echt per abuis, verderop staat het wel goed.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: