Επιστημονικό μυστήριο: Πλανήτες καλυμμένοι με λάβα αψηφούν τους βασικούς κανόνες του διαστήματος

Ερευνητές ανέπτυξαν ένα μοντέλο που δείχνει πώς οι καλυμμένοι με λάβα πλανήτες, οι οποίοι βρίσκονται σε κοντινή απόσταση από τα άστρα τους, καταφέρνουν να διατηρούν την ατμόσφαιρά τους.

Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να λειτουργήσει ως οδηγός στην αναζήτηση ζωής πέρα από το ηλιακό μας σύστημα.  Ορισμένοι πλανήτες περιφέρονται τόσο κοντά στα μητρικά τους άστρα, που η έντονη αστρική ακτινοβολία θα έπρεπε κανονικά να έχει «γυμνώσει» την ατμόσφαιρά τους.

Κι όμως, αρκετοί από αυτούς τους υπερβολικά θερμούς κόσμους της λάβας εξακολουθούν να διατηρούν πυκνά αέρια περιβλήματα.  Το φαινόμενο αυτό αποτελεί πρόκληση για το επιστημονικό πλαίσιο που χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα για την πρόβλεψη του ποιοι βραχώδεις πλανήτες μπορούν να συγκρατήσουν το αέριο στρώμα τους.

Το σύμπαν δεν σταματά ποτέ να καταρρίπτει τους ίδιους του τους κανόνες, αναγκάζοντας τους επιστήμονες να ξαναγράψουν τα βιβλία της αστροφυσικής.  Αυτή τη φορά, το προσκήνιο κλέβουν ορισμένοι από τους πιο αφιλόξενους και ακραίους κόσμους που έχουμε ανακαλύψει: Πλανήτες εξ ολοκλήρου καλυμμένοι με φλεγόμενη λάβα.

Σύμφωνα με τους μέχρι τώρα θεμελιώδεις κανόνες της πλανητικής επιστήμης, αυτοί οι κόσμοι –που βρίσκονται σε απόσταση αναπνοής από τα άστρα τους– θα έπρεπε να έχουν «νεκρώσει» προ πολλού, με την πανίσχυρη αστρική ακτινοβολία να έχει εξαφανίσει κάθε ίχνος της ατμόσφαιράς τους.

Κι όμως, μια νέα ανακάλυψη από ερευνητές του Πανεπιστημίου Στάνφορντ έρχεται να ανατρέψει τα πάντα, αποκαλύπτοντας το μυστικό που επιτρέπει σε αυτούς τους πλανήτες-«κόλαση» να κρατούν ζωντανό το αέριο περίβλημά τους και ανοίγοντας παράλληλα νέους, συναρπαστικούς δρόμους στην αναζήτηση εξωγήινης ζωής.

Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Στάνφορντ προτείνουν τώρα μια εξήγηση. Το μοντέλο τους, το οποίο δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό The Astrophysical Journal Letters, υποδηλώνει ότι οι λιωμένες επιφάνειες μπορούν να ρυθμίζουν την ταχύτητα με την οποία διαφεύγουν τα αέρια από το εσωτερικό ενός πλανήτη.

Επιβραδύνοντας αυτή την απελευθέρωση, η λάβα επιτρέπει στην αναπλήρωση της ατμόσφαιρας να συμβαδίζει με τις απώλειες που προκαλεί η αστρική ακτινοβολία, διατηρώντας την έτσι για δισεκατομμύρια χρόνια.

Το εύρημα αυτό επεκτείνει τη θεωρία της «κοσμικής ακτογραμμής» (cosmic shoreline), η οποία περιγράφει το όριο ανάμεσα στους βραχώδεις κόσμους που μπορούν να συγκρατήσουν ατμόσφαιρα και σε εκείνους που δεν μπορούν.

Όπως ακριβώς μια ακτογραμμή χωρίζει την ξηρά από το νερό, έτσι και η κοσμική της εκδοχή ορίζει το σημείο όπου η επιβίωση μιας ατμόσφαιρας καθίσταται δυνατή.

Ωστόσο, ορισμένοι κόσμοι λάβας βρίσκονται πολύ πιο κοντά στα άστρα τους από ό,τι προβλέπει αυτό το όριο και, παρ’ όλα αυτά, διαθέτουν ατμόσφαιρα.  «Αυτοί οι κόσμοι λάβας μάς έδειχναν ότι κάτι δεν πήγαινε καλά με το όριο της κοσμικής ακτογραμμής, όμως εμείς βρήκαμε έναν τρόπο που τους επιτρέπει να διατηρούν την ατμόσφαιρά τους, προτείνοντας έναν νέο μηχανισμό πέρα από αυτό το όριο», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Barron Nguyen, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο της Laura Schaefer στη Σχολή Βιωσιμότητας Doerr του Στάνφορντ.

Το κομμάτι του παζλ που έλειπε από την αστροφυσική

Οι ερευνητές του Στάνφορντ και οι συνεργάτες τους ονομάζουν αυτή τη νεοσυσταθείσα περιοχή «κοσμική αμμουδιά» (cosmic sandbar), κάνοντας μια αναλογία με τις λωρίδες άμμου που σχηματίζονται ανοιχτά των ακτών στους ωκεανούς της Γης.

Ανάμεσα στην παραδοσιακή ακτογραμμή και σε αυτή την αμμουδιά εκτείνεται αυτό που οι ίδιοι αποκαλούν «κοιλάδα χωρίς αέρα» (airless valley).

Οι πλανήτες που βρίσκονται εκεί περιφέρονται τόσο κοντά στο άστρο τους που χάνουν την ατμόσφαιρά τους, ενώ παράλληλα ψύχονται και στερεοποιούνται πολύ γρήγορα μετά τον σχηματισμό τους για να μπορέσουν να αναπληρώσουν το αέριο που διαφεύγει.

«Το πού ακριβώς βρίσκεται το όριο της ακτογραμμής ανάμεσα στους κόσμους χωρίς αέρα και σε εκείνους που είναι ικανοί να διατηρήσουν ατμόσφαιρα αποτελούσε ένα μεγάλο, ανοιχτό ερώτημα στην πλανητική επιστήμη», δήλωσε η Σέιφερ, ανώτερη συγγραφέας της μελέτης και επίκουρη καθηγήτρια Γεωλογικών και Πλανητικών Επιστημών στη Σχολή Βιωσιμότητας Doerr.

«Το νέο μοντέλο διευρύνει την κατανόησή μας για αυτό το όριο, καθώς και για τους παράγοντες που καθορίζουν πού ακριβώς εντοπίζεται για συγκεκριμένα άστρα και πλανήτες». Μέσα στο δικό μας ηλιακό σύστημα, οι έρευνες για εξωγήινη ζωή επικεντρώνονταν ανέκαθεν στο να “ακολουθούν το νερό”.

Για τους πλανήτες γύρω από άλλα άστρα, όμως, οι ερευνητές πρέπει πρώτα να προσδιορίσουν αν ένας κόσμος μπορεί, πρωτίστως, να διατηρήσει ατμόσφαιρα.

«Οι επιστήμονες ενδιαφέρονται να ανακαλύψουν ποιοι πλανήτες διαθέτουν ατμόσφαιρα και ποιοι όχι, επειδή αυτό είναι το πρώτο βήμα για να εξετάσουμε τη δυνατότητα ενός πλανήτη να φιλοξενήσει ζωή», δήλωσε ο Νγκουγιέν.

Ο εξωπλανήτης που ανάγκασε τους αστροφυσικούς να αναθεωρήσουν

Κατά την τελευταία δεκαετία, η θεωρία της κοσμικής ακτογραμμής εξελίχθηκε σε μια πολλά υποσχόμενη μέθοδο για τον εντοπισμό δυνητικά φιλόξενων πλανητών που χρήζουν περαιτέρω παρατήρησης. Ωστόσο, οι πρόσφατες ανακαλύψεις περιέπλεξαν την κατάσταση.

Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο 55 Cancri e, μια «Υπερ-Γαία» με μάζα σχεδόν οκτώ φορές μεγαλύτερη από τη Γη, ο οποίος περιφέρεται γύρω από το άστρο του περίπου 20 φορές πιο κοντά από ό,τι ο Ερμής γύρω από τον Ήλιο μας.

Παρά την ακραία αυτή τοποθεσία, οι παρατηρήσεις από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb το 2024 έδειξαν ότι ο 55 Cancri e διαθέτει μια εντυπωσιακά πυκνή ατμόσφαιρα.

Μάλιστα, τους τελευταίους μήνες, οι παρατηρήσεις έχουν φέρει στο φως έναν αυξανόμενο αριθμό παρόμοιων κόσμων λάβας που διατηρούν σημαντικές ατμόσφαιρες.

Για να κατανοήσουν πώς αυτοί οι πλανήτες καταφέρνουν να συγκρατούν το αέριο περίβλημά τους, ο Νγκουγιέν και οι συνεργάτες του δημιούργησαν ένα μοντέλο που καταγράφει την κίνηση των αερίων ανάμεσα στην ατμόσφαιρα του πλανήτη και τη λιωμένη επιφάνειά του. Οι προσομοιώσεις λαμβάνουν επίσης υπόψη τη διαφυγή των ατμοσφαιρικών αερίων στο διάστημα, καθώς και τη σταδιακή ψύξη και τελική στερεοποίηση της λάβας.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνέκριναν αυτούς τους κόσμους λάβας που διατηρούν ατμόσφαιρα με άλλους γνωστούς εξωπλανήτες και σώματα του ηλιακού μας συστήματος.

Η «ανάσα» του υπεδάφους: Πώς τα αέρια της λάβας σώζουν την ατμόσφαιρα

Το μοντέλο έδειξε ότι η εξέλιξη της ατμόσφαιρας ελέγχεται κυρίως από δύο αντικρουόμενες διαδικασίες: τη διαφυγή των αερίων στο διάστημα και την απελευθέρωση αερίων από το εσωτερικό του πλανήτη προς την ατμόσφαιρα – μια διαδικασία γνωστή ως «αποέκκριση αερίων» (outgassing).

Η «κοσμική αμμουδιά» περιγράφει ακριβώς αυτούς τους θερμούς κόσμους που βρίσκονται κοντά στα άστρα τους, όπου οι δύο αυτές διαδικασίες καταφέρνουν να φτάσουν σε μια κατάσταση ισορροπίας.

Οι πλανήτες που υπάγονται σε αυτό το καθεστώς, συμπεριλαμβανομένου του 55 Cancri e, τείνουν να είναι τεράστιες Υπερ-Γαίες με επιφάνειες καλυμμένες από λάβα. Αντίθετα, κόσμοι που βρίσκονται κάπως πιο μακριά από τα άστρα τους, όπως ο Ερμής, ψύχονται και στερεοποιούνται ταχύτερα, «κλειδώνοντας» τα αέρια στο εσωτερικό τους.

Χωρίς επαρκή απελευθέρωση αερίων για την αναπλήρωση των ατμοσφαιρικών απωλειών, οι πλανήτες αυτοί καταλήγουν στην «κοιλάδα χωρίς αέρα».  Πιο μακριά, κατά μήκος της κοσμικής ακτογραμμής, μικρότεροι και πιο ψυχροί πλανήτες, όπως η Αφροδίτη και η Γη, δέχονται σημαντικά λιγότερη αστρική ακτινοβολία, αποφεύγοντας έτσι την ολοκληρωτική απώλεια της ατμόσφαιράς τους.

Οι ερευνητές του Στάνφορντ αναμένουν ότι οι μελλοντικές επισκοπήσεις εξωπλανητών θα δοκιμάσουν και θα εξελίξουν αυτή τη διευρυμένη εκδοχή του πλαισίου της κοσμικής ακτογραμμής.

«Ένα βασικό συμπέρασμα της μελέτης μας είναι ότι η θεωρία της κοσμικής ακτογραμμής δεν είναι μια χαμένη υπόθεση», δηλώνει ο Νγκουγιέν.  «Υπήρχε μια σχετική απαισιοδοξία γύρω από αυτήν εξαιτίας αυτών των κόσμων λάβας, αλλά πλέον γνωρίζουμε ότι υπάρχει ένα ευρύτερο σύνολο παραμέτρων που επιτρέπουν σε έναν πλανήτη να δημιουργήσει και να διατηρήσει μια ατμόσφαιρα».