20 september 2021

Astrofysici filteren ‘vals-positieve’ zuurstofrijke terrestrische exoplaneten

Astrofysici van de Universiteit van Santa Cruz hebben met behulp van computermodellen de geochemische evolutie van terrestrische exoplaneten nader onderzocht met als doel uit te zoeken hoe een levenloze exoplaneet aan zuurstof zou kunnen komen. Bij de zoektocht naar leven op exoplaneten is de aanwezigheid van zuurstof in hun atmosfeer een potentieel teken van biologische activiteit. Het blijft een ‘potentieel’ teken, want het hoeft zeker niet zo te zijn, de aanwezigheid van zuurstof kan een heel andere oorsprong hebben en dat is wat dit team getracht heeft uit te zoeken. Dit deed men door middel van het beschrijven van drie verschillende scenario’s waarop zo een levenloze rotsachtige exoplaneet zodanig evolueert dat er wel zuurstof in zijn atmosfeer verschijnt. De resultaten zijn op 13 april j.l. gepubliceerd in het AGU Advances.

Artistieke impressie van een M-dwergster met exoplaneten. M-dwergsterren zijn vatbaar voor niet-biologische zuurstofophoping Credits; NASA/JPL-Caltech/MSSS

Het team o.l.v. Joshua Krissansen-Toyton baseerde hun bevindingen op een gedetailleerd computermodel van de evolutie van rotsachtige planeten, beginnend bij hun gesmolten oorsprong en zich uitbreidend door miljarden jaren van afkoeling en geochemische cycli. Door de aanvankelijke inventaris van vluchtige elementen in hun modelplaneten te variëren, bereikte het team een breed scala aan resultaten: zuurstof kan zich ophopen in de atmosfeer van een planeet wanneer hoogenergetisch UV-licht watermoleculen in de bovenste atmosfeer splitst in waterstof en zuurstof. Het lichte waterstof ontsnapt bij voorkeur de ruimte in en laat de zuurstof achter. Andere processen kunnen zuurstof uit de atmosfeer verwijderen. Koolmonoxide en waterstof die vrijkomen bij ontgassing van bijvoorbeeld gesmolten gesteente, reageren met zuurstof, en bij de verwering van gesteente wordt ook zuurstof gebruikt. Dit zijn slechts enkele van de processen die de onderzoekers hebben verwerkt in hun model van de geochemische evolutie van rotsachtige exoplaneten. Krissansen-Totton stelt: “Het ontwikkelde model van de atmosfeer-inwendige evolutie van terrestrische planeten toonde aan dat levenloze planeten in de bewoonbare zone relatief gemakkelijk zuurstofrijke atmosferen kunnen ontwikkelen.”

Het eerst geïmplementeerde scenario beschrijft een aardachtige exoplaneet die begint met relatief (t.o.v. de aarde) veel meer water, deze zal bijvoorbeeld eindigen met zeer diepe oceanen, waardoor een enorme druk op de korst komt te staan. Dit sluit effectief de geologische activiteit af, inclusief alle processen zoals het smelten of verwering van gesteenten die zuurstof uit de atmosfeer zouden verwijderen. Scenario 2 ging uit van een tegenovergestelde situatie, de planeet begint met een relatief kleine hoeveelheid water. Het magma-oppervlak van de aanvankelijk gesmolten planeet kan snel bevriezen terwijl het water in de atmosfeer blijft. Deze ‘stoomatmosfeer’ plaatst genoeg water in de bovenste atmosfeer om ophoping van zuurstof mogelijk te maken zodra watermoleculen uiteenvallen en waterstof ontsnapt. Een derde scenario dat kan leiden tot zuurstof in de atmosfeer betreft een aardachtige exoplaneet, welke begint (t.o.v. de aarde) met een hogere verhouding van kooldioxide tot water. Dit leidt tot een op hol geslagen broeikaseffect, waardoor het te heet wordt voor water om ooit uit de atmosfeer te condenseren naar het oppervlak van de planeet. “In dit Venus-achtige scenario beginnen alle volatiele stoffen in de atmosfeer en blijven er maar een paar achter in de mantel, deze gebruiken na uitgassing het zuurstof,” aldus Krissansen-Totton.

Totton vervolgt: “Voor elk scenario hebben we getracht te bepalen wat een telescoop moet kunnen detecteren om zuurstof van (a)biotische oorsprong van elkaar te onderzheiden.” Het team benadrukt in hun publicatie dan ook tevens de behoefte aan next-generation telescopen die bij het speuren naar leven op exoplaneten specifiek zoeken naar de spectrale signaturen van biogene gassen. Zuurstof wordt beschouwd als een betrouwbaar biosignatuurgas, vooral voor planeten rond zonachtige sterren waar niet-biologische, fotochemische productie onwaarschijnlijk is. Verder merkt hij nog op eerdere studies zich hebben gericht op atmosferische processen, terwijl het model dat in deze studie wordt gebruikt, de geochemische en thermische evolutie van de mantel en korst van de exoplaneet onderzoekt, evenals de interacties tussen de korst en de atmosfeer. Co-auteur Jonathan Fortney, hoogleraar astronomie en astrofysica en directeur van UCSC’s Other Worlds Laboratory, vult aan: “Er is veel discussie over de vraag of detectie van zuurstof ‘afdoende’ is voor een teken van leven, en vervolgt, “Dit onderzoek pleit er echt voor dat je de context van je detectie moet kennen. Welke andere moleculen worden behalve zuurstof wel of niet gevonden, en wat zegt dat over de evolutie van de planeet? Een toekomstig telescoop moet ultragevoelig zijn voor een breed scala aan golflengten om verschillende soorten moleculen in de atmosfeer van een exoplaneet te detecteren.” Bronnen; Phys.org, Universiteit van Santa Cruz, NASA/JPL-Caltech

Speak Your Mind

*

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