Tak powstają super-Ziemie! Czy może na nich istnieć życie?

Od momentu, w którym odkryto pierwszą planetę spoza Układu Słonecznego, minęło już 30 lat! W tym czasie udało się potwierdzić istnienie ponad 4900 egzoplanet. Większość z nich to gazowe giganty, które krążą blisko swoich gwiazd. Wśród nich znajdują się również sporo mniejsze planety skaliste, które podzielić można na dwie grupy: super-Ziemie i mini-Neptuny.

Super-Ziemie to planety skaliste osiągające średnicę 1,6 lub nawet 1,75 średnicy Ziemi. W rezultacie sprawia to, że ich obwód może wynosić nawet 70 000 kilometrów przy średnicy około 22 000 kilometrów. Nomenklatura nie ma związku z możliwością występowania życia na ich powierzchni, stanowi jedynie odnośnik do parametrów planety. Mianem mini-Neptuna określa się z kolei obiekty o grubej atmosferze i skalistym jądrze, których średnica jest od dwóch do nawet czterech razy większa od średnicy Ziemi. Ma to związek z domniemanym wyglądem obiektów, które w rzeczywistości mogą przypominać mniejsze wersje Neptuna.

Naukowcy są coraz bliżej wyjaśnienia procesów, które stoją za powstawaniem super-Ziem. Zespół astronomów z Caltech przyjrzał się bliżej dwóm mini-Neptunom znajdującym się w układzie TOI 560, korzystając z obserwatorium W.M. Kecka na Hawajach oraz innym dwóm mini-Neptunom z układu HD 63433, korzystając z danych z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Wyniki obserwacji pokazują, że w przypadku mini-Neptuna oznaczonego jako TOI 560.01 oraz HD 63433 c, atmosfera się ulatnia! Sugeruje to, że planety mogą właśnie przechodzić transformację w super-Ziemie.

Obserwacje prowadzono podczas tranzytu planet na tle ich gwiazd centralnych. W atmosferze TOI 560.01 zaobserwowano absorpcję atomów helu, podczas gdy w układzie HD 63433 atmosfera planety "c" ujawniła obecność wodoru. Odkryto też zadziwiająco szybki ruch cząsteczek gazu w powłokach obydwu mini-Neptunów. TOI 560.01 traci hel z prędkością 20 km/s, natomiast HD 63433 c pozbywa się wodoru z prędkością 50 km/s. Grawitacja egzoplanet jest zbyt słaba, aby zatrzymać gaz poruszający się tak szybko. Powoli zatem zamieniają się one w super-Ziemie.

Aby udzielić odpowiedzi na to pytanie, należy się zastanowić z jakim obiektem mamy do czynienia. Super-Ziemie to obiekty, których parametry stawiają je ponad naszą planetą. Mowa tutaj zarówno o rozmiarach, jak również o masie. To z kolei powoduje, że mają one silniejszą grawitację. Możliwość występowania życia na takich planetach uzależniona jest również od ich otoczenia i odległości od gwiazdy centralnej. TOI 560.01 i HD 63433 c to planety położone blisko swoich gwiazd. Zapewne panuje na nich bardzo wysoka temperatura. Silny wiatr gwiazdowy ponadto pozbawia je atmosfery. To stwarza mało sprzyjające warunki życiu.

Od 2009 roku Kosmiczny Teleskop Keplera zaobserwował około 4000 egzoplanet, z których około 30 proc. to super-Ziemie. Niewielka część z nich krąży w ekosferze, a więc w strefie wokół gwiazdy, pozwalającej zachować wodę w stanie ciekłym. Jednym z wielu przykładów takich planet jest Kepler 20b, którego parametry dwukrotnie przewyższają średnicę Ziemi, a także dziesięciokrotnie jej masę. 

Grawitacja na Kepler 20b jest trzy razy silniejsza niż na Ziemi. Pozwala to utrzymać gęstszą atmosferę, co zapewnia ochronę przed szkodliwym promieniowaniem.

Z pozoru to idealne miejsce na powstanie życia. Niestety silna grawitacja sprawia, że bardzo trudno byłoby się oderwać od powierzchni tej planety. Prędkość ucieczki jest dla niej dwa razy większa niż na Ziemi. Rakiety potrzebowałyby zużyć zatem dwa razy więcej paliwa, by dotrzeć na jej orbitę, zachowując przy tym sporo mniejszą ładowność. Przykładem może być Falcon Heavy od SpaceX, który startując z Ziemi, może wynieść 50 000 kg ładunku na orbitę okołoziemską, natomiast w przypadku Keplera 20b nośność rakiety spadłaby do 40 kilogramów, co odpowiada masie owczarka niemieckiego.