Planeti manji od Zemlje mogli bi vrlo brzo izgubiti atmosferu potrebnu za život

Nova studija sa Sveučilišta Stanford pokazuje da veličina planeta može biti jedan od najvažnijih početnih filtera u potrazi za nastanjivim svjetovima. Model STEHM upućuje na to da stjenoviti egzoplaneti s manje od 80 posto Zemljina polumjera teško mogu zadržati atmosferu kroz milijarde godina.

Atmosfera kao prvi veliki filter

Astronomi su od 1992. potvrdili više od 6.200 planeta izvan Sunčeva sustava, a tisuće kandidata još čekaju potvrdu. Potraga se zato više ne svodi samo na otkrivanje novih egzoplaneta. Sve je važnije odrediti koji od njih imaju stvarne uvjete za dugotrajnu atmosferu, stabilnu klimu i moguću nastanjivost.

Kod udaljenih egzoplaneta atmosfera je najdostupniji trag. Svjetlost zvijezde, filtrirana kroz plinove oko planeta, može otkriti molekule povezane s kemijskim procesima na tom svijetu. U povoljnim slučajevima takav kemijski potpis može uputiti na uvjete pogodne za život ili na procese koje vrijedi dodatno istražiti.

Michelle Hill sa Sveučilišta Stanford razvila je model STEHM kako bi procijenila mogu li stjenoviti planeti manji od Zemlje zadržati atmosferu kroz geološki duga razdoblja. Model ne traži život izravno. Njegova je vrijednost u tome što pomaže suziti popis planeta na kojima bi atmosfera mogla opstati dovoljno dugo da se u njoj sačuvaju mogući tragovi nastanjivosti.

Takav filter postaje sve važniji jer su opservacije atmosfera egzoplaneta tehnički zahtjevne i skupe u smislu teleskopskog vremena. Ako se unaprijed može procijeniti da je neki svijet premalen da dugoročno zadrži atmosferu, tada nije među najboljim kandidatima za najdetaljnija promatranja.

Gdje se pojavljuje granica

Atmosfera opstaje samo ako planet ima dovoljno gravitacije da je zadrži i dovoljno unutarnje aktivnosti da je tijekom vremena obnavlja. Zvjezdano zračenje i čestice neprestano odnose dio plinova u svemir, osobito oko mladih i aktivnih zvijezda. Vulkanska aktivnost može taj gubitak djelomično nadoknaditi ispuštanjem novih plinova, među njima i ugljikova dioksida.

Hill je u modelu koristila ExoPlex, računalni alat koji iz polumjera planeta i unutarnjih tlakova procjenjuje masu i građu planeta. Izradila je šest profila stjenovitih planeta, od polovice Zemljina polumjera do planeta veličine Zemlje. U obzir su uzeti omjeri jezgre i plašta, ukupna gustoća planeta te debljina unutarnjih slojeva.

Model se odnosi na stjenovite planete s atmosferama bogatima ugljikovim dioksidom i krutom litosferom bez tektonike ploča. Takvi planeti nemaju površinu koja se neprestano obnavlja kao na Zemlji, gdje pomicanje tektonskih ploča duboko utječe na dugoročno kruženje ugljika i klimu.

Rezultati pokazuju da planeti s najmanje 80 posto Zemljina polumjera mogu zadržati atmosferu deset milijardi godina ili dulje ako kruže na povoljnoj udaljenosti od zvijezde slične Suncu. To ih čini znatno ozbiljnijim kandidatima u potrazi za nastanjivim svjetovima.

Ispod te granice izgledi brzo slabe. Manji planeti često gube atmosferu unutar prve milijarde godina. Svjetovi s oko 70 posto Zemljina polumjera još nisu potpuno isključeni, ali prema modelu moraju imati vrlo povoljne početne uvjete kako bi atmosfera opstala dulje.

Zašto neki mali planeti ipak imaju šansu

Veličina planeta nije jedini čimbenik. STEHM pokazuje da veliku ulogu imaju početna količina ugljika, toplinski razvoj unutrašnjosti i raspored materijala u planetu.

Planeti nastaju iz plina i prašine oko mladih zvijezda. Njihov sastav ovisi o materijalu dostupnom u protoplanetarnom disku, ali i o sudarima i nakupljanju planetarnog materijala tijekom ranog razvoja sustava. Planet koji od početka ima više ugljika može kroz vulkansku aktivnost dulje vraćati ugljikov dioksid u atmosferu.

Ugljikov dioksid važan je jer pridonosi zadržavanju topline, ali i zato što njegova prisutnost može biti znak da planet još ima aktivne unutarnje procese. Kada vulkanska aktivnost oslabi, nestaje jedan od glavnih načina nadopunjavanja atmosfere.

Važnu ulogu imaju i radioaktivni elementi u plaštu, poput torija, uranija i kalija. Njihovim raspadom oslobađa se toplina koja može održavati unutrašnjost planeta geološki aktivnom. Dok taj izvor topline traje, veća je šansa da će planet imati vulkansku aktivnost i dugotrajnije ispuštanje plinova.

Građa planeta pritom može biti presudna. Model pokazuje da planeti s manjom jezgrom i debljim plaštem mogu sadržavati više ugljika i elemenata koji proizvode toplinu. Takva unutarnja građa može produljiti razdoblje u kojem se atmosfera obnavlja.

No početni uvjeti mogu djelovati i protiv planeta. Ako je unutrašnjost u ranoj fazi prevruća, plašt se može prerano rastaliti i poremetiti procese koji bi dugoročno regulirali toplinu i ispuštanje plinova. U tom slučaju atmosfera postaje ranjiva upravo u razdoblju kada je mlada zvijezda najaktivnija i kada je gubitak plinova najbrži.

Mars kao upozorenje za potragu za egzoplanetima

Hill je model provjerila na Veneri i Marsu, dvama bliskim primjerima vrlo različite atmosferske sudbine. STEHM je pravilno predvidio da Venera može zadržati gustu atmosferu bogatu ugljikovim dioksidom, dok Mars ostaje svijet s vrlo rijetkom atmosferom koja se tijekom vremena prorijedila.

Mars je imao važnu ulogu u nastanku modela. Zbog rasprava o teraformiranju, Hill je željela ispitati je li Crveni planet ikada imao stvarnu šansu dugoročno zadržati gušću atmosferu. Model pokazuje da su Marsu izgledi od početka bili slabi: ima znatno manju masu od Zemlje, slabiju gravitaciju i nema tektoniku ploča koja bi dugoročno pomagala u obnavljanju atmosfere.

To ne znači da Mars u prošlosti nije imao gušću atmosferu ili povoljnije površinske uvjete nego danas. Model upućuje na nešto drugo: dugoročno održavanje takvog stanja bilo je teško već zbog osnovnih svojstava planeta. Bez dovoljno mase, unutarnje topline i stalnog nadopunjavanja atmosfere, nastanjivi uvjeti mogu trajati kratko u odnosu na starost planeta.

Za egzoplanete je to ključna poruka. Položaj u nastanjivoj zoni nije dovoljan. Planet može primati odgovarajuću količinu zvjezdane energije, ali i dalje biti loš kandidat za život ako je premalen da zadrži atmosferu kroz milijarde godina.

Sljedeći korak istraživanja bit će usporedba sadašnjih modela s planetima koji imaju aktivniju površinu, sličniju Zemljinoj tektonici ploča. Time bi se potraga za nastanjivim svjetovima mogla dodatno suziti, prema planetima na kojima se veličina, unutarnja građa, kemija i geološka aktivnost slažu dovoljno dobro da atmosfera opstane

Ivan Petričević

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.