Lutajući planeti možda kriju mjesece s tekućom vodom

Kad planet bude izbačen iz svojeg zvjezdanog sustava, čini se logičnim pretpostaviti da zajedno sa svojim mjesecima završava u trajnoj hladnoći i tami međuzvjezdanog prostora. No nova studija sugerira da takav rasplet ne mora značiti i kraj mogućnosti za život. Ako ti mjeseci imaju vrlo guste atmosfere u kojima prevladava vodik, mogli bi zadržavati toplinu nastalu duboko u unutrašnjosti i tako milijardama godina održavati uvjete u kojima voda ostaje tekuća.

Do tog su zaključka došli David Dahlbüdding iz Instituta Max Planck za izvanzemaljsku fiziku i Giulia Roccetti iz Europske svemirske agencije, autori rada objavljenog u časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Njihovi izračuni pokazuju da vodik, ako ga ima dovoljno i ako je pod vrlo visokim tlakom, može djelovati kao snažan staklenički plin i naizgled mrtve svjetove pretvoriti u dugotrajno stabilna topla okruženja.

Toplina ondje gdje nema zvijezde

Astronomi su dosad otkrili stotine egzoplaneta koji ne kruže ni oko jedne zvijezde, nego slobodno lutaju međuzvjezdanim prostorom. Smatra se da je većina tih tijela nekoć pripadala svojim sustavima, ali su iz njih izbačena u snažnim gravitacijskim poremećajima. Nakon takvog izbacivanja planet ostaje bez topline matične zvijezde, pa se na prvi pogled čini da su i njegovi mjeseci osuđeni na ledenu pustoš.

Ipak, upravo taj kaos može stvoriti drukčije uvjete. Ako se tijekom izbacivanja orbita mjeseca snažno izduži, gravitacija matičnog planeta neprestano ga rasteže i sabija. Taj proces, poznat iz Sunčeva sustava na primjerima Europe i Enkelada, može stvarati goleme količine unutarnje topline. Drugim riječima, mjesec i bez zvijezde u blizini može imati vlastiti izvor zagrijavanja.

No sama unutarnja toplina nije dovoljna ako je atmosfera ne može zadržati. U nestabilnijim atmosferama plinovi bi se mogli kondenzirati u tekući oblik, a velik dio topline pobjegao bi u svemir. Upravo zato autori ističu važnost gustih, visokotlačnih atmosfera u kojima dominira vodik.

U današnjoj Zemljinoj atmosferi vodik nema velik učinak zagrijavanja. Pod visokim tlakom, međutim, stvari se mijenjaju. Tada nastupa proces poznat kao apsorpcija izazvana sudarima. Pri kratkotrajnim sudarima molekula vodika nastaju privremeni supramolekularni sklopovi povezani slabim, nekovalentnim vezama. Takve strukture mnogo učinkovitije apsorbiraju infracrveno zračenje nego pojedinačne molekule vodika i po učinku mogu parirati snažnim stakleničkim plinovima poput ugljikova dioksida i metana.

Zbog toga se već i ranije razmatralo može li gusta vodikova atmosfera zadržati energiju koja nastaje unutar mjeseca, pa čak i mladih planeta. Ova studija ide korak dalje i pokazuje da takav mehanizam nije samo teorijski moguć, nego bi mogao stvarati dugotrajno stabilne uvjete bez problema koji su pratili starije modele utemeljene na atmosferama bogatim ugljikovim dioksidom.

Dahlbüdding pritom ističe da bi takav egzomjesec mogao imati površinsku temperaturu dovoljnu da voda ostane tekuća i bez obližnje zvijezde, čime se znatno širi prostor u kojem bi se život uopće mogao pojaviti. Istodobno upozorava i na ozbiljno ograničenje: takvi bi mjeseci možda mogli biti otkriveni u razmjerno bliskoj budućnosti, ali potvrda i detaljna analiza njihove atmosfere vjerojatno će još dugo ostati izvan dosega opažanja.

Ključ je gusta vodikova atmosfera

Budući da su takvi svjetovi zasad nedostupni izravnom proučavanju, istraživači su odgovor tražili u računalnim modelima. Simulacijama su pratili kako se atmosfera i orbita egzomjeseca mijenjaju kroz milijarde godina nakon što njegov planet bude izbačen iz sustava. U model su spojili precizne izračune atmosferske temperature i povratne učinke kemijskog sastava, prije svega kroz kondenzaciju različitih plinova, kako bi dobili dosad najrealističniji, premda i dalje aproksimativan, prikaz takvih tijela.

U analizu su uključili i najnovije teorijske uvide o tome kako se orbite egzomjeseca mijenjaju s vremenom. Posebno se oslanjaju na istraživanje koje je 2023. vodila Giulia Roccetti, a koje je pokazalo da postupno zaobljivanje orbite s vremenom smanjuje količinu raspoložive plimne topline. Kombinacijom tih rezultata autori su mogli procijeniti koliko dugo takav mjesec može ostati u uvjetima pogodnima za tekuću vodu.

Rezultati pokazuju da upravo najgušće razmatrane atmosfere, s tlakom do 100 puta većim od tlaka na Zemljinoj površini, mogu stvoriti dovoljno snažan i stabilan staklenički učinak da voda ostane tekuća. U pojedinim slučajevima takvi bi uvjeti mogli potrajati do 4,3 milijarde godina nakon izbacivanja matičnog planeta, što je usporedivo s današnjom starošću Zemlje.

Autori naglašavaju da vodik u tom scenariju ne djeluje samo kao snažan staklenički plin. On ujedno stvara stabilnu atmosfersku pozadinu unutar koje dodatnom zadržavanju topline mogu pridonijeti i drugi spojevi skloni kondenzaciji, poput metana, amonijaka i vodene pare. Upravo ta kombinacija omogućuje da se toplina iz unutrašnjosti ne izgubi prebrzo u okolni svemir.

Značenje rada ne zaustavlja se, međutim, samo na dalekim egzomjesecima. Istraživači smatraju da bi njihovi rezultati mogli pomoći i u razumijevanju rane Zemlje. Prije nego što se na našem planetu pojavio život, atmosfera je možda sadržavala znatno više vodika nego danas, a česti udari asteroida povremeno su mogli povisivati tlak. U takvim je uvjetima apsorpcija izazvana sudarima možda bila izraženija nego što se dosad pretpostavljalo.

Takvo okruženje, sugeriraju autori, moglo je pogodovati nastanku i umnažanju molekula RNK te pomoći pokretanju procesa koji je na kraju doveo do evolucije života. Upravo zato ovaj rad ne otvara samo pitanje gdje bi život mogao opstati, nego i kako su se uvjeti za njegov nastanak možda stvarali na samoj Zemlji.

Ako se ti modeli potvrde, potraga za nastanjivim svjetovima više se neće svoditi samo na planete koji kruže na pravoj udaljenosti od svoje zvijezde. U fokus bi mogli doći i tamni lutajući planeti te njihovi mjeseci, skriveni duboko u međuzvjezdanom prostoru, gdje izvor topline ne dolazi izvana, nego iz same unutrašnjosti svijeta.