Egzoplanety wokół czerwonych karłów przepełnione wodą

Gwiazdy karłowate klasy M, których masa waha się w zakresie od 10 do 50 proc. masy naszego Słońca, stanowią jedną z najliczniejszych grup gwiazd w Drodze Mlecznej. Ostatnie dane uzyskane z teleskopu Keplera świadczą o tym, że wokół 6 proc. tych czerwonych karłów krążą planety wielkością zbliżone do Ziemi, które posiadają warunki odpowiednie do podtrzymania życia.

Pod pojęciem zdatności planety do zamieszkania naukowcy rozumieją występujące wartości temperatur, przy których woda utrzymuje się w stanie ciekłym. Wczesne badania z wykorzystaniem symulacji sugerowały, że planety krążące wokół gwiazd klasy M mogą nie posiadać w ogóle wody. Naukowcy sugerują jednak teraz dokładniejsze przyjrzenie się zagadnieniu.

Na podstawie aktualnego rozumienia mechanizmów, które wpłynęły na uformowanie się naszego Układu Słonecznego, naukowcy uważają, że kwestia źródła "planetarnej wody" zależna jest od warunków, w jakich powstaje centralna gwiazda. Może być to istotne w przypadku prognoz dotyczących możliwych zasobów wody w środowisku gwiazd klasy M.

Woda przypuszczalnie znalazła się na Ziemi razem ze skałami oraz drobnymi cząstkami, które we wczesnym okresie dziejów Układu Słonecznego znajdowały się w ogromnym dysku protoplanetarnym rotującym wokół młodego Słońca. Materiał w wewnętrznej części dysku przypuszczalnie był zbyt gorący do utrzymywania wody, jednak skały i drobiny za tak zwaną "linią zamarzania", zlokalizowaną w odległości około 375 mln km od gwiazdy (2,5 odległości jaka dzieli Ziemię od Słońca), były na tyle zimne, że możliwe było utrzymywanie na nich cząstek lodu.

Ziemia oraz inne planety wewnętrzne najprawdopodobniej powstały wewnątrz tej strefy, więc technicznie rzecz biorąc nie powinna się na nich znajdować woda. Sytuację tę jednak zmieniły oddziaływania grawitacyjne, które doprowadziły do wymieszania składników w dysku protoplanetarnym i w efekcie do ściągnięcia materiału z wodą do wewnętrznych rejonów. Rezultat tego procesu widzimy dzisiaj na naszej planecie, na której oceany wypełnione są życiem.

Czy podobne procesy wystąpiłyby wokół innych gwiazd o mniejszej masie? Kilka lat temu przeprowadzono symulacje dotyczące formowania się układów słonecznych z połową składników, jakie były dostępne u nas. Rezultat był taki, że planety znajdujące się w "strefach życia" (miejscach, gdzie może występować woda w stanie ciekłym) wokół gwiazd klasy M są suche.

Jedna z teorii tłumaczących ten stan rzeczy mówi, że gwiazdy klasy M posiadają mniejsze dyski protoplanetarne, co oznacza jednocześnie występowanie słabszych oddziaływań grawitacyjnych i dużo mniej wydajny transfer wody do wewnętrznych części dysku. Innym aspektem jest to, że gwiazdy o małej masie świecą jaśniej, gdy są młodsze. Fakt ten wpływa na odsunięcie linii zamarzania jeszcze dalej od "strefy życia".

Powyższe aspekty mogą być znaczące przy odniesieniu do naszego, większego Układu Słonecznego. Tymczasem niewykluczone, że jeszcze coś dodatkowego różni Układ Słoneczny od układu gwiazdy karłowatej klasy M. Naukowcy przypuszczają, że może to być... aluminium.

Aluminium, a w szczególności izotop o nazwie Al-26, mogło odegrać znaczącą rolę w sprowadzeniu wody na Ziemię. Izotop Al-26 jest radioaktywny i posiada czas połowicznego rozkładu wynoszący 700 tys. lat. Na podstawie badań meteorytów wiemy, że te obiekty oraz rodzice (asteroidy) mogły w przeszłości zawierać sporą ilość tego izotopu, który uległ rozpadowi dawno temu.

Rozpad Al-26 prawdopodobnie miał duży wpływ na wielkie obiekty skalne nazywane planetozymalami, które ostatecznie uległy scaleniu i przeistoczeniu w planety. Wewnątrz planetozymali ulegający rozpadowi izotop aluminium generował ciepło, co doprowadzało do topnienia obecnego lodu. Część z tej powstałej wody mogła wejść w reakcje ze skałami, tworząc hydraty różnych minerałów - wykrywanych w wielu meteorytach, a inna część ulegała rozproszeniu w przestrzeni kosmicznej.

Jeśli ta teoria okazałaby się prawdziwa, to można przypuszczać, że z Ziemi "uciekła" spora ilość wody. Jednak nie musi się to okazać zasadne z uwagi na możliwość nie występowania aluminium w każdym układzie planetarnym. Al-26 powstaje we wnętrzach masywnych gwiazd. Nie do końca jasne jest skąd tak dużego tego materiału w naszym Układzie Słonecznym. Jedną z teorii wyjaśniających jest dostarczenie Al-26 z wybuchu pobliskiej supernowej.

Inne systemy planetarne mogą nie posiadać tyle izotopu aluminium, stąd planetozymale mogą utrzymać więcej wody w trakcie procesu formowania planet. Ten scenariusz jest teraz szczegółowo badany przez naukowców. Być może istotną rolę w rozpraszaniu wody grają także inne czynniki. Niemniej jednak dominujący jeszcze parę lat temu pogląd, że planety wokół lekkich gwiazd mogą być suche, zdaje się być coraz mniej aktualny.

Istnieją jeszcze inne modele pokazujące, że kwestia transferu wody mogła zostać "uregulowana" na skutek migracji planet we wczesnej fazie "porządkowania" układu słonecznego. Ten model, nazywany modelem Wielkiej Migracji (Grand Track), zakłada, że w naszym przypadku materia tworząca Jowisza przebywała kiedyś bliżej Słońca - do momentu rozpoczęcia formowania się Saturna. Migracja gazowych gigantów mogła pomóc w sprowadzeniu materiału zasobnego w wodę w rejony bliższe Słońcu.

W ten sposób można dojść do wniosku, że wody na planetach wewnętrznych w innych układach słonecznych może być w rzeczywistości nawet bardzo dużo. Jeśli teorie odnośnie oddziaływania izotopu aluminium oraz migracji gazowych gigantów okażą się prawdziwe, to problem braku dostatecznej ilości wody może w ogóle nie znajdować pokrycia w rzeczywistości. W przyszłości misje takie jak James Webb Space Telescope mogą pozwolić na zaobserwowanie cząsteczek wody w atmosferach odległych egzoplanet. Wtedy teorie o źródłach wody na planetach zostaną dobrze zweryfikowane.

Źródło informacji (NASA)

Maciej Mickiewicz