Potraga za životom izvan Sunčeva sustava ne ovisi samo o tome nalazi li se planet u nastanjivoj zoni svoje zvijezde. Ako je premalen, mogao bi izgubiti atmosferu mnogo prije nego što bi život imao priliku razviti se. Novi model istraživača sa Sveučilišta u Kaliforniji Riverside sugerira da se ključna granica nalazi oko 0,8 Zemljina polumjera.
Kada astronomi traže potencijalno nastanjive egzoplanete, najčešće se prvo gleda gdje planet kruži oko svoje zvijezde. Ako je predaleko, voda bi se mogla smrznuti. Ako je preblizu, mogla bi ispariti. No položaj u nastanjivoj zoni ne znači mnogo ako planet ne može zadržati atmosferu.
Upravo tu veličina planeta postaje presudna.
Novo istraživanje pokušava odrediti koliko malen stjenoviti planet može biti, a da i dalje ostane ozbiljan kandidat za nastanjivost. Autori su razvili model nazvan Smaller Than Earth Habitability Model, odnosno STEHM, i njime analizirali koliko dugo mali planeti mogu zadržati atmosferu.
Zaključak je jasan: planeti s najmanje oko 0,8 Zemljina polumjera mogu zadržati atmosferu milijardama godina. Ispod te granice izgledi se brzo pogoršavaju.
Premali planet lakše gubi zrak u svemir
Prvi razlog relativno je jednostavan. Manji planet ima slabiju gravitaciju. To znači da se čestice u gornjim slojevima atmosfere lakše mogu osloboditi i otići u svemir.
Taj se proces u stručnoj literaturi naziva Jeans escape, odnosno Jeansov mehanizam bijega atmosferskih čestica. Posebno je važan kada matična zvijezda zrači snažnim ekstremnim ultraljubičastim zračenjem. Takvo zračenje zagrijava gornje slojeve atmosfere, pa dio najbržih čestica može dosegnuti brzinu dovoljnu da napusti planet.
Veći planeti imaju jaču gravitaciju i veću brzinu bijega, pa atmosferu zadržavaju učinkovitije. Kod malih stjenovitih svjetova taj zaštitni prag brzo nestaje. Atmosfera se tada ne gubi u jednom dramatičnom događaju, nego postupno, kroz milijune i stotine milijuna godina.
Za nastanjivost je to ipak golema razlika. Planet može imati početnu atmosferu, ali ako je izgubi prerano, površina ostaje izložena svemirskom zračenju i velikim temperaturnim promjenama.
Unutrašnjost planeta također mora ostati aktivna
Model pokazuje da problem nije samo u slabijoj gravitaciji. Mali planeti imaju još jednu ozbiljnu slabost: brže gube unutarnju toplinu.
Razlog je u njihovu omjeru površine i volumena. Što je planet manji, to se njegova unutrašnjost učinkovitije hladi. Kako se toplina gubi, vanjski kameni sloj postaje sve deblji i krući, pa se vulkanska aktivnost postupno smanjuje.
To je važno zato što vulkani nisu samo znak geološki aktivnog planeta. Oni su i jedan od načina na koji plinovi iz unutrašnjosti dospijevaju u atmosferu. Na dugim vremenskim razdobljima takvo isplinjavanje može pomoći planetu da nadoknadi dio plinova koje gubi u svemir.
Ako se unutrašnjost planeta prerano ohladi, taj se izvor počinje zatvarati. Planet tada ne samo da slabije zadržava atmosferu zbog manje gravitacije, nego sve teže obnavlja ono što je već izgubio.
Granica se pojavljuje vrlo oštro
STEHM ne nudi samo široku procjenu. Prema modelu, prijelaz između malih planeta koji još mogu dugoročno zadržati atmosferu i onih koji je vrlo brzo gube nalazi se između 0,7 i 0,8 Zemljina polumjera.
Planeti veličine 0,8 Zemljina polumjera, ili veći, mogli bi zadržati atmosferu milijardama godina. To je važno jer život, barem prema jedinom primjeru koji poznajemo, ne mora nastati brzo. Za stabilan razvoj potrebni su dugi vremenski rasponi i okoliš koji se ne mijenja previše naglo.
Kod planeta veličine 0,7 Zemljina polumjera i manjih slika se naglo mijenja. Prema modelu, takvi svjetovi teško mogu dugoročno izdržati djelovanje ekstremnog ultraljubičastog zračenja svojih zvijezda. Atmosfera se postupno gubi, a planet s vremenom ostaje bez zaštitnog sloja plinova.
Primjeri iz modela pokazuju koliko je ta razlika velika. Planet s 0,6 Zemljina polumjera mogao bi zadržati atmosferu oko 400 milijuna godina. To je dugo u ljudskim mjerilima, ali u astrobiološkom smislu vjerojatno prekratko za stabilan razvoj života. Planet s 0,5 Zemljina polumjera ostao bi bez atmosfere za samo oko 30 milijuna godina.
Takav svijet u početku bi možda imao atmosferu oko sebe, ali bi vrlo brzo, u planetarnim razmjerima, postao stijena bez iste.
Rijetke iznimke ne mijenjaju osnovnu sliku
Istraživači ne tvrde da je 0,8 Zemljina polumjera apsolutna granica koja se nikada ne može prijeći. Model dopušta nekoliko posebnih scenarija u kojima bi i manji planet mogao zadržati atmosferu dulje nego što bi se inače očekivalo.
Jedan takav slučaj bio bi planet koji se formirao s iznimno velikom zalihom ugljika. Takav višak mogao bi pomoći u dugotrajnom održavanju atmosfere bogate ugljikovim dioksidom.
Druga mogućnost odnosi se na unutarnju građu planeta. Svijet s malom jezgrom, ili bez jasno razvijene jezgre, imao bi veći plašt i veće zalihe hlapljivih tvari. To bi mu moglo omogućiti dulje isplinjavanje plinova iz unutrašnjosti.
Treća mogućnost vezana je uz kasniji početak jačeg isplinjavanja iz unutrašnjosti planeta. Ako planet ne izbaci većinu CO₂ u ranoj fazi, dok je matična zvijezda još vrlo aktivna, nego se taj proces pojača kasnije, atmosfera ima bolje izglede za opstanak. Do tada zvijezda može oslabiti u ekstremnom ultraljubičastom zračenju, pa sporije uklanja plinove iz gornjih slojeva atmosfere.
No takvi su uvjeti rijetki. Za većinu malih stjenovitih planeta vrijedi jednostavnije pravilo: ako su znatno manji od 0,8 Zemljina polumjera, vrlo teško mogu zadržati atmosferu dovoljno dugo da ostanu nastanjivi.
Novi filtar u potrazi za životom
Ovaj rezultat mogao bi utjecati na to kako se biraju mete za buduća promatranja egzoplaneta. Vrijeme velikih teleskopa iznimno je vrijedno, a broj poznatih planeta stalno raste. Astronomi zato moraju odlučiti koji su svjetovi najbolji kandidati za detaljna istraživanja.
Ako se zaključci potvrde složenijim modelima, veličina planeta mogla bi postati jedan od prvih filtara u potrazi za životom. Planet nešto manji od Zemlje i dalje može biti zanimljiv. No ako je premalen, sama činjenica da se nalazi u nastanjivoj zoni možda neće značiti mnogo.
Takav svijet na prvi pogled može izgledati obećavajuće, osobito ako kruži na udaljenosti na kojoj bi voda mogla postojati u tekućem stanju. Ali bez atmosfere nema stabilnog tlaka, nema dugoročne zaštite površine i nema okoliša nalik onome koji poznajemo na Zemlji.
Prema ovom modelu, mnogi mali stjenoviti egzoplaneti možda nisu manje verzije Zemlje, nego svjetovi koji su prerano izgubili zrak. Za potragu za izvanzemaljskim životom to je važna razlika.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
Izvori i publikacija
Smaller Than Earth Habitability Model (STEHM): The Lower Size Limit for Atmosphere Retention in the Habitable Zone
DOI: 10.48550/arxiv.2605.00170
Časopis / izvor: arXiv
