Astrofysici filteren ‘vals-positieve’ zuurstofrijke terrestrische exoplaneten

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.