Um planeta rochoso orbitando na zona habitável de uma estrela semelhante ao Sol pode parecer um lugar perfeito para a vida prosperar – mas não se for demasiado pequeno para manter a sua atmosfera.
Então, podemos nos perguntar: quão pequeno Terra Pode ser deliciosamente respirável Atmosfera? Quão pequeno pode ser um exoplaneta para sustentar a vida como a conhecemos?
Com estas questões em mente, o cientista planetário Michael Hill, da Universidade da Califórnia em Riverside, e os seus colegas simularam recentemente o que acontece com as atmosferas de mundos rochosos de vários tamanhos. Os mundos testados eram semelhantes à Terra e estavam em órbita Zonas habitáveis Como o sol ao redor Estrelas. O mundo precisaria de manter uma atmosfera suficientemente longa para sustentar a vida (pelo menos alguns milhares de milhões de anos), e esta teria de ser pelo menos massiva. terça-feira.
Encurta a busca pela vida
A zona habitável – a área em torno de uma estrela onde a temperatura é adequada para a existência de água líquida na superfície de um planeta – é um terreno privilegiado na caça à vida alienígena. Este é um ambiente difícil para as atmosferas dos exoplanetas, porque quanto mais próximo um planeta estiver de uma estrela, mais radiação e vento estelar tentarão destruir a atmosfera.
É por isso que Hill e os seus colegas simularam recentemente quanto tempo levaria para que planetas rochosos, semelhantes à Terra, de vários tamanhos, na zona habitável de uma estrela como o nosso Sol, perdessem a sua atmosfera. Em outras palavras, quão pequena é a atmosfera que a Terra, ou um planeta semelhante, poderia reter?
A resposta é que um planeta que mantenha uma atmosfera teria que ter 80% da largura da Terra, mas tecnicamente poderia ser até 60% menor. Isto dá aos astrofísicos pistas sobre em quais planetas se concentrar na sua busca por mundos habitáveis e sinais de vida alienígena.
“A abundância de exoplanetas cria um desafio interessante na busca por planetas habitáveis”, escreveram Hill e seus colegas. “Entre os muitos alvos nas zonas habitáveis das suas estrelas, eles são os melhores candidatos para observações de acompanhamento com o objetivo de detecção. Assinaturas vitais?” Em outras palavras, os astrofísicos agora têm muitos planetas para escolher e não têm tempo de telescópio suficiente para procurar todos eles. Então, é hora de restringir a pesquisa.
Uma maneira de fazer isso é descobrir quais planetas têm maior probabilidade de serem habitáveis – e para a vida como a conhecemos, habitável significa ter uma atmosfera.
Modelagem de atmosferas – e vulcões
O “Modelo de Habitabilidade Menor que a Terra” de Hill e seus colegas simula o destino das atmosferas em torno de versões digitais da Terra. Alguns mundos simulados são semelhantes ao nosso, mas menores, com a mesma composição química e as mesmas proporções de núcleo, manto e crosta. Outros têm quantidades ligeiramente diferentes de carbono, núcleos maiores ou menores ou temperaturas iniciais diferentes. O modelo calcula o que acontece com esses mundos ao longo de alguns bilhões de anos com base em duas coisas: a rapidez com que o vento estelar e a radiação removem o gás da atmosfera do planeta e com que rapidez Vulcões Expire um gás (principalmente dióxido de carbono) para substituí-lo.
A equipe percebeu que a versão em escala da Terra teria que ser pelo menos 80% mais larga que a Terra real (0,8 raios terrestres) para manter uma atmosfera por longos períodos de tempo. Planetas menores perdem gás mais rapidamente do que erupções vulcânicas.
Planetas menores têm menos gravidade e campos magnéticos mais fracos, mantendo seus finos envelopes gasosos. Eles geralmente não liberam gás suficiente internamente para compensar a perda. As suas crostas – a camada segregada de magma abaixo da crosta – tendem a libertar menos gás vulcânico ao longo do tempo, e as suas camadas superiores arrefecem e endurecem mais rapidamente. O último processo interrompe as erupções vulcânicas muito mais cedo na vida de um planeta.
Pequenos planetas agarrados à atmosfera
Ao alterar alguns dos parâmetros da Terra, a equipe conseguiu obter planetas tão pequenos quanto 0,6 raios terrestres para manter uma atmosfera estável. O carbono é importante: Planetas com mais carbono nos seus mantos tendem a libertar mais gás dióxido de carbono em explosões, e este acaba por ser o maior factor (além do tamanho) na forma como um planeta mantém a sua atmosfera.
“O dióxido de carbono é uma molécula pesada”, escreveram Hill e seus colegas, “que pode causar a perda de uma molécula dura. Nós nos concentramos em uma atmosfera de dióxido de carbono puro sob condições ideais para retenção atmosférica”. É claro que este é apenas um cenário ideal para alguns estilos de vida relativamente simples, pelo que a sua quilometragem astronómica pode variar.
Seriam necessárias toneladas de carbono a mais do que a Terra para fazer uma mudança significativa no destino da atmosfera de um planeta – mas como é teoricamente possível que um planeta se forme com essa quantidade de carbono na sua composição, esse é um conhecimento útil. Planetas com núcleos relativamente pequenos e, portanto, mantos relativamente grossos, tiveram mais sorte em termos de retenção atmosférica. Começando com um grande suprimento de elementos radioativos, eles se decompõem e liberam calor nas rochas circundantes, o que ajuda a derreter o manto e a enviar gases vulcânicos para o céu.
Também ajuda começar com um casaco legal – é incrível. Você pode pensar que um manto mais quente teria maior probabilidade de expelir gases vulcânicos na atmosfera. No entanto, leva muito tempo para que um manto mais frio comece a entrar em erupção, o que significa que o planeta mantém o seu reservatório de gases até que a sua estrela fique mais velha e mais assentada.
As estrelas recém-nascidas são expostas a violentas explosões de radiação e plasma, que varrem o gás vulcânico à medida que este entra em erupção. Ao resfriar o manto e as erupções posteriores, o planeta reteria mais gás expelido.
Uma segunda chance para mundos sem ar
Ainda há esperança de vida para mundos pequenos.
Mesmo os planetas que perdem completamente as suas atmosferas iniciais — em vez de as substituir gradualmente por dióxido de carbono e metano — podem ter uma segunda oportunidade de formar uma nova atmosfera.
Hill e os seus colegas sugerem que uma forma de um planeta recuperar a sua atmosfera perdida pode ser através de impactos de cometas e asteróides, que podem fornecer elementos voláteis como hidrogénio, oxigénio e carbono. Esses elementos podem se combinar para formar todos os tipos de gases atmosféricos.
Tais impactos são particularmente úteis se a estrela tiver passado a sua fase juvenil de erupções intensas, que ocorrem mais tarde na vida do sistema estelar.
“Embora os pequenos planetas enfrentem mais desafios na sustentação de atmosferas, o nosso modelo sugere que podem formar atmosferas nas condições certas”, escreveram Hill e os seus colegas, por isso “mesmo aqueles que perdem as suas atmosferas precocemente não devem ser imediatamente descartados como mundos habitáveis”.
O que vem a seguir?
Simulações futuras usando o modelo de habitabilidade menor que a Terra poderiam estudar mundos em torno de estrelas pequenas e frias chamadas anãs vermelhas — estrelas como TRAPPIST-1, que têm pelo menos sete planetas rochosos, três dos quais estão na zona habitável. Estas estrelas constituem 75% das estrelas da nossa galáxia e a sua luz relativamente fraca torna os telescópios fáceis de detectar. O Telescópio Espacial James Webb (JWST) para capturar imagens da luz estelar filtrada através das atmosferas dos planetas que passam entre a Terra e as suas estrelas hospedeiras.
Tal como a lua de Júpiter, Io, Hill e os seus colegas também esperam estudar o que acontece às atmosferas em torno dos planetas que estão bloqueados pelas marés, ou onde as forças das marés mantêm o interior quente e sismicamente ativo.
Os pesquisadores publicaram seu trabalho em junho O Jornal de Ciência Planetária.
