Τα αστέρια που περιέχουν συγκριτικά μεγάλες ποσότητες βαρέων στοιχείων παρέχουν λιγότερο ευνοϊκές συνθήκες για την εμφάνιση σύνθετης ζωής σε σχέση με τα φτωχά σε μέταλλα αστέρια, όπως διαπίστωσαν επιστήμονες από τα “Max Planck Institute for Solar System Research, “Max Planck Institute for for Chemistry” και το Πανεπιστήμιο του Göttingen.
Η επιστημονική ομάδα έδειξε ότι η μεταλλικότητα ενός αστεριού σχετίζεται με το κατά πόσο δύνανται, οι πλανήτες που γυρίζουν γύρω από αυτό, να περιβάλλουν τους εαυτούς τους με ένα προστατευτικό στρώμα όζοντος. Κρίσιμο στοιχείο για αυτό, αποτελεί η ένταση του υπεριώδους φωτός που εκπέμπει το αστέρι, σε διαφορετικά εύρη μηκών κύματος. Η μελέτη παρέχει στους επιστήμονες που αναζητούν κατοικήσιμα αστρικά συστήματα, σημαντικές ενδείξεις για τις περιπτώσεις όπου αυτό το εγχείρημα θα μπορούσε να είναι υποσχόμενο.
Η μελέτη οδηγεί, επίσης, σε ένα εκπληκτικό συμπέρασμα: καθώς το σύμπαν γερνάει, γίνεται όλο και πιο εχθρικό απέναντι στην εμφάνιση περίπλοκης ζωής σε νέους πλανήτες.
Οι ερευνητές που αναζητούν κατοικήσιμους -ή ακόμα και κατοικημένους- πλανήτες, τα τελευταία χρόνια επικεντρώνονται όλο και περισσότερο στα αέρια περιβλήματα των κόσμων αυτών: Εμφανίζονται στα δεδομένα παρατήρησης, στοιχεία για ύπαρξη ατμόσφαιρας; Περιέχει αυτή η ατμόσφαιρα αέρια όπως οξυγόνο ή μεθάνιο, τα οποία στη Γη αποτελούν -σχεδόν αποκλειστικά- μεταβολικά προϊόντα μορφών ζωής;
Στα επόμενα χρόνια, αυτού του του είδους οι παρατηρήσεις θα προσεγγίσουν νέα όρια: το τηλεσκόπιο James Webb της NASA θα καταστήσει εφικτό όχι μόνο τον χαρακτηρισμό των ατμοσφαιρών των μεγάλων αέριων γιγάντων όπως οι υπερ-Ποσειδώνες (Super-Neptunes), αλλά και την -για πρώτη φορά- ανάλυση των πολύ πιο αμυδρών φασματοσκοπικών σημάτων από τις ατμόσφαιρες βραχωδών πλανητών.
Με τη βοήθεια αριθμητικών προσομοιώσεων, η τρέχουσα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό “Nature Communications”, στρέφεται τώρα στην περιεκτικότητα του όζοντος στις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών. Όπως και στη Γη, η ένωση αυτή των τριών ατόμων οξυγόνου μπορεί να προστατεύσει την επιφάνεια του πλανήτη (και τις μορφές ζωής που κατοικούν σε αυτήν) από την υπεριώδη ακτινοβολία (UV) που καταστρέφει τα κύτταρα.
Ένα προστατευτικό στρώμα όζοντος αποτελεί επομένως σημαντική προϋπόθεση για την εμφάνιση πολύπλοκης ζωής. «Θέλαμε να καταλάβουμε ποιες είναι οι ιδιότητες που πρέπει να έχει ένα αστέρι, ώστε οι πλανήτες του να μπορέσουν να σχηματίσουν ένα προστατευτικό στρώμα όζοντος», εξηγεί η Anna Shapiro, ερευνήτρια στο “Max Planck Institute for Solar System Research” και πρώτη συγγραφέας της τρέχουσας μελέτης.
Όπως συμβαίνει συχνά στην επιστήμη, η ιδέα αυτή γεννήθηκε από ένα παλαιότερο εύρημα. Πριν από τρία χρόνια, ερευνητές είχαν συγκρίνει τις διακυμάνσεις της λαμπρότητας του Ήλιου με τις αντίστοιχες εκατοντάδων παρόμοιων με τον Ήλιο αστέρων. Το αποτέλεσμα: σε πολλά από αυτά τα αστέρια, οι διακυμάνσεις της έντασης στο ορατό φως ήταν πολύ πιο έντονες απ ό,τι στην περίπτωση του Ήλιου. «Παρατηρήσαμε τεράστια “τινάγματα” κορυφών στην ένταση», λέει ο Alexander Shapiro, ο οποίος συμμετείχε τόσο σε αυτές τις προ τριετίας αναλύσεις, όσο και στην τρέχουσα μελέτη.
«Ως εκ τούτου είναι αρκετά πιθανό και ο Ήλιος να είναι ικανός να εμφανίσει τέτοιες κορυφώσεις της έντασης. Σε αυτή την περίπτωση, η ένταση του υπεριώδους φωτός θα αυξανόταν επίσης δραματικά», προσθέτει. «Έτσι, φυσικό ήταν να αναρωτηθούμε τι θα σήμαινε αυτό για τη ζωή στη Γη, καθώς και για το ποιά είναι η κατάσταση σε άλλα αστρικά συστήματα», λέει ο Sami Solanki, διευθυντής στο “Max Planck Institute for Solar System Research” και συν-συγγραφέας και στις δύο μελέτες.
Ο διττός ρόλος της υπεριώδους ακτινοβολίας
Η θερμοκρασία της επιφάνειας των μισών περίπου άστρων, γύρω από τα αυτά που έχουμε βρει πως περιφέρονται εξωπλανήτες, κυμαίνεται μεταξύ 5.000 και 6.000 βαθμών Κελσίου περίπου. Οι ερευνητές στους υπολογισμούς τους, στράφηκαν σε αυτή την υποομάδα. Μέλος της υποομάδας αυτής είναι και ο Ήλιος, καθώς η θερμοκρασία της επιφάνειάς του είναι περίπου 5500 βαθμοί Κελσίου. «Η υπεριώδης ακτινοβολία από τον Ήλιο, παίζει διπλό ρόλο στην χημεία της ατμόσφαιρας της Γης», εξηγεί η Anna Shapiro, η οποία έχει μελετήσει σε προηγούμενες έρευνες την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα της Γης.
Σε αντιδράσεις με μεμονωμένα άτομα και μόρια οξυγόνου, το όζον δύναται και να δημιουργηθεί και να καταστραφεί. Έτσι, ενώ η μακρών κυμάτων ακτινοβολία UV-B καταστρέφει το όζον, η βραχέων κυμάτων ακτινοβολία UV-C βοηθά στη δημιουργία όζοντος στη μεσαία ατμόσφαιρα. «Ήταν λοιπόν λογικό να υποθέσουμε ότι το υπεριώδες φως μπορεί να επιδρά στις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών με τον ίδιο περίπλοκο τρόπο», προσθέτει η ίδια. Το ακριβές μήκος κύματος είναι καθοριστικής σημασίας.
Οι ερευνητές λοιπόν υπολόγισαν τα ακριβή μήκη κύματος που αποτελούν το υπεριώδες φως που εκπέμπουν τα αστέρια. Για πρώτη φορά έλαβαν υπόψη και την επιρροή της μεταλλικότητας. Η μεταλλικότητα περιγράφει την αναλογία του υδρογόνου προς τα βαρύτερα στοιχεία (τα οποία οι αστροφυσικοί αποκαλούν απλουστευτικά και κάπως παραπλανητικά “μέταλλα”) στο υλικό ενός άστρου. Στην περίπτωση του Ήλιου, για κάθε άτομο σιδήρου υπάρχουν περισσότερα από 31.000 άτομα υδρογόνου. Η μελέτη συμπεριέλαβε επίσης αστέρια με χαμηλότερη και υψηλότερη περιεκτικότητα σε σίδηρο.
Προσομοιωμένες αλληλεπιδράσεις υπεριώδους ακτινοβολίας με αέρια
Σε ένα δεύτερο βήμα, η ομάδα ερεύνησε το πώς, η υπολογισμένη υπεριώδης ακτινοβολία, θα επηρέαζε τις ατμόσφαιρες των πλανητών που περιφέρονται σε φιλική προς τη ζωή απόσταση γύρω από αυτά τα αστέρια. Οι φιλικές προς τη ζωή αποστάσεις είναι αυτές που επιτρέπουν μέτριες θερμοκρασίες -ούτε πολύ ζεστές ούτε πολύ κρύες για νερό σε υγρή μορφή- στην επιφάνεια του πλανήτη. Για τέτοιου είδους κόσμους λοιπόν, η ομάδα προσομοίωσε ποιές ακριβώς είναι οι διαδικασίες που θέτει σε κίνηση στην ατμόσφαιρα του πλανήτη, η χαρακτηριστική υπεριώδης ακτινοβολία του μητρικού άστρου του.
Για να υπολογίσουν τη σύνθεση των πλανητικών ατμοσφαιρών, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα μοντέλο χημείας-κλίματος, το οποίο προσομοιώνει τις διαδικασίες που ελέγχουν το οξυγόνο, το όζον και πολλά άλλα αέρια, και τις αλληλεπιδράσεις τους με το υπεριώδες φως από τα αστέρια, σε πολύ υψηλή φασματική ανάλυση. Το μοντέλο αυτό επέτρεψε τη διερεύνηση μιας μεγάλης ποικιλίας συνθηκών σε εξωπλανήτες και την σύγκριση με την ιστορία της ατμόσφαιρας της Γης για το τελευταίο μισό δισεκατομμύριο χρόνια.
Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η επίτευξη υψηλής ατμοσφαιρικής περιεκτικότητας σε οξυγόνο και η δημιουργία του στρώματος του όζοντος, επέτρεψαν την εξέλιξη της ζωής στην ξηρά στον πλανήτη μας. «Είναι πολύ πιθανό, η ιστορία της Γης και της ατμόσφαιράς της να κρύβουν στοιχεία σχετικά με την εξέλιξη της ζωής, τα οποία μπορεί να ισχύουν και για τους εξωπλανήτες», λέει ο Jos Lelieveld, Διευθύνων Σύμβουλος του “Max Planck Institute for Chemistry”, ο οποίος συμμετείχε στη μελέτη.
Πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι
Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων εξέπληξαν τους επιστήμονες. Συνολικά, τα φτωχά σε μέταλλα αστέρια εκπέμπουν περισσότερη υπεριώδη ακτινοβολία από τα πλούσια. Η αναλογία, όμως, της ακτινοβολίας UV-C που παράγει όζον προς την ακτινοβολία UV-B που καταστρέφει το όζον εξαρτάται επίσης, σε κρίσιμο βαθμό, από τη μεταλλικότητα: στα φτωχά σε μέταλλα αστέρια, κυριαρχεί η ακτινοβολία UV-C, επιτρέποντας να σχηματιστεί ένα πυκνό στρώμα όζοντος. Για τα πλούσια σε μέταλλα αστέρια, με κυρίαρχη την ακτινοβολία UV-B, το προστατευτικό αυτό περίβλημα είναι πολύ πιο αραιό.
«Σε αντίθεση με το αναμενόμενο, τα φτωχά σε μέταλλα αστέρια θα πρέπει λοιπόν να παρέχουν πιο ευνοϊκές συνθήκες για την εμφάνιση ζωής», συμπεραίνει η Anna Shapiro. Αυτό το εύρημα θα μπορούσε να είναι χρήσιμο σε μελλοντικές διαστημικές αποστολές, όπως η αποστολή Plato του “Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος” (ESA), η οποία θα χτενίσει έναν τεράστιο αριθμό αστέρων για σημάδια κατοικήσιμων εξωπλανητών. Διαθέτοντας 26 τηλεσκόπια, η διαστημοσυσκευή θα εκτοξευτεί το 2026 και θα εστιάσει την προσοχή της κυρίως σε πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη οι οποίο περιφέρονται, σε αποστάσεις φιλικές προς τη ζωή, γύρω από παρόμοια με τον Ήλιο αστέρια.
Παράδοξο συμπέρασμα
Επιπλέον, η μελέτη καταλήγει σε ένα σχεδόν παράδοξο συμπέρασμα: καθώς το σύμπαν γερνάει, είναι πιθανό να γίνεται όλο και πιο εχθρικό προς τη ζωή. Τα μέταλλα, τα βαριά δηλαδή στοιχεία σχηματίζονται μέσα στα αστέρια στο τέλος της πολλών δισεκατομμυρίων ετών ζωής τους και -ανάλογα με τη μάζα του άστρου- απελευθερώνονται στο διάστημα ως αστρικός άνεμος ή μέσω μίας έκρηξη υπερκαινοφανούς (σουπερνόβα): το δομικό υλικό για την επόμενη γενιά των αστεριών.
«Επομένως, κάθε νεοσύστατο αστέρι διαθέτει πλουσιότερο σε μέταλλα δομικό υλικό από τους προκατόχους του. Τα αστέρια στο σύμπαν γίνονται πλουσιότερα σε μέταλλα, με κάθε γενιά», εξηγεί η Anna Shapiro. Σύμφωνα λοιπόν με τη νέα μελέτη, η πιθανότητα τα αστρικά συστήματα να παράξουν ζωή μειώνεται καθώς το σύμπαν γερνά.
Παραπομπές: Anna V. Shapiro, Metal-rich stars are less suitable for the evolution of life on their planets, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37195-4
Πηγή: https://www.mpg.de/