เมื่อพูดถึงการค้นหาโลกที่สามารถรองรับชีวิตนอกโลกปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์พึ่งพาวิธี "ผลไม้แขวนลอยต่ำ" เนื่องจากเรารู้เพียงเงื่อนไขเดียวที่ชีวิตสามารถเจริญเติบโตได้ - นั่นคือสิ่งที่เรามีบนโลกใบนี้ - มันสมเหตุสมผลที่จะมองหาโลกที่มีเงื่อนไขเดียวกันนี้ สิ่งเหล่านี้รวมถึงการตั้งอยู่ภายในเขตเอื้ออาศัยของดาวฤกษ์มีบรรยากาศที่มั่นคงและสามารถรักษาน้ำของเหลวบนพื้นผิวได้
จนถึงปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์พึ่งพาวิธีการที่ทำให้ยากมากในการตรวจจับไอน้ำในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ภาคพื้นดิน แต่ต้องขอบคุณการศึกษาใหม่ที่นำโดย Yuka Fujii จากสถาบัน Goddard เพื่อการศึกษาอวกาศ (GISS) ของนาซ่าที่อาจจะมีการเปลี่ยนแปลง การใช้แบบจำลองสามมิติใหม่ที่คำนึงถึงรูปแบบการไหลเวียนทั่วโลกการศึกษานี้ยังบ่งชี้ว่าดาวเคราะห์นอกระบบที่อาศัยอยู่อาจจะเป็นเรื่องธรรมดามากกว่าที่เราคิด
การศึกษาบรรดาศักดิ์“ NIR ที่ขับเคลื่อนด้วยบรรยากาศบนชื้นของการหมุนรอบโลกแบบเทมเปอร์เทตเทอราเททอลเอ็กซ์พอนเน็ต” ซึ่งเพิ่งปรากฏตัวใน วารสาร Astrophysical. นอกเหนือจากดร. ฟูจิอิซึ่งเป็นสมาชิกของสถาบันวิทยาศาสตร์โลกแห่งชีวิตที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งโตเกียวแล้วทีมวิจัยยังรวมถึง Anthony D. Del Genio (GISS) และ David S. Amundsen (GISS และ Columbia University)
น้ำของเหลวเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับชีวิตอย่างที่เรารู้ หากดาวเคราะห์ไม่มีบรรยากาศที่อบอุ่นพอที่จะรักษาน้ำของเหลวบนพื้นผิวของมันในระยะเวลาที่เพียงพอ (ตามคำสั่งของพันล้านปี) ก็ไม่น่าเป็นไปได้ที่ชีวิตจะสามารถปรากฏและวิวัฒนาการได้ หากดาวเคราะห์อยู่ไกลจากดาวฤกษ์มากเกินไปน้ำผิวดินของมันจะแข็งตัว หากอยู่ใกล้เกินไปน้ำผิวดินจะระเหยและหายไปในอวกาศ
ในขณะที่มีการตรวจพบน้ำในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบมาก่อนในทุกกรณีดาวเคราะห์นั้นเป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ขนาดยักษ์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ของพวกมันอย่างใกล้ชิด (aka. "Jupiters ร้อน") ขณะที่ฟูจิอิและเพื่อนร่วมงานของเธอระบุในการศึกษา:
“ แม้ว่าลายเซ็นของ H2O นั้นถูกตรวจพบในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสร้อน แต่การตรวจจับลายเซ็นโมเลกุลรวมถึง H2O บนดาวเคราะห์โลกที่อยู่ในเขตอบอุ่นนั้นมีความท้าทายอย่างมากเนื่องจากรัศมีของดาวเคราะห์ขนาดเล็กและความสูงขนาดเล็ก (เนื่องจากอุณหภูมิที่ต่ำกว่า น้ำหนักโมเลกุล).”
เมื่อพูดถึงดาวเคราะห์นอกระบบ (เช่นหิน) การศึกษาก่อนหน้านี้ถูกบังคับให้ต้องพึ่งพาแบบจำลองหนึ่งมิติเพื่อคำนวณการปรากฏตัวของน้ำ ประกอบด้วยการวัดการสูญเสียไฮโดรเจนที่ซึ่งไอน้ำในสตราโตสเฟียร์ถูกแยกย่อยเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนจากการสัมผัสกับรังสีอัลตราไวโอเลต โดยการวัดอัตราการสูญเสียไฮโดรเจนสู่อวกาศนักวิทยาศาสตร์จะประมาณปริมาณน้ำของเหลวที่ยังคงปรากฏบนพื้นผิว
อย่างไรก็ตามดังที่ดร. ฟูจิอิและเพื่อนร่วมงานอธิบายโมเดลนั้นขึ้นอยู่กับสมมติฐานหลายประการที่ไม่สามารถพูดถึงได้ซึ่งรวมถึงการขนส่งความร้อนและไอน้ำจากไอน้ำทั่วโลกรวมถึงผลกระทบของเมฆ โดยทั่วไปแบบจำลองก่อนหน้านี้ทำนายว่าสำหรับไอน้ำที่จะไปถึงสตราโตสเฟียร์อุณหภูมิพื้นผิวในระยะยาวบนดาวเคราะห์นอกระบบเหล่านี้จะต้องสูงกว่า 66 ° C (150 ° F) มากกว่าที่เราพบบนโลกนี้
อุณหภูมิเหล่านี้สามารถสร้างพายุไหลเวียนที่ทรงพลังบนพื้นผิว อย่างไรก็ตามพายุเหล่านี้ไม่สามารถเป็นสาเหตุของน้ำได้ถึงสตราโตสเฟียร์เมื่อมันมาถึงการหมุนของดาวเคราะห์อย่างช้าๆเข้าสู่สภาวะเรือนกระจกที่ชื้นซึ่งไอน้ำจะเพิ่มความร้อน ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์แม่อย่างใกล้ชิดนั้นเป็นที่ทราบกันว่ามีการหมุนอย่างช้าๆหรือถูกล็อกด้วยดาวเคราะห์เป็นวงรีดังนั้นจึงไม่น่าจะมีพายุไหลเวียน
สิ่งนี้เกิดขึ้นบ่อยครั้งสำหรับดาวเคราะห์บนพื้นโลกที่อยู่รอบดาวมวลต่ำสุดขั้วชนิด M (ดาวแคระแดง) สำหรับดาวเคราะห์เหล่านี้ความใกล้ชิดกับดาวฤกษ์แม่ของพวกเขาหมายความว่ามันมีอิทธิพลต่อแรงโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งเพียงพอที่จะชะลอหรือหยุดการหมุนอย่างสมบูรณ์ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นเมฆหนาก่อตัวขึ้นในช่วงกลางวันของโลกปกป้องมันจากแสงของดาว
ทีมพบว่าในขณะที่สิ่งนี้สามารถทำให้อากาศเย็นและป้องกันไม่ให้ไอน้ำเพิ่มขึ้นปริมาณของรังสีอินฟราเรดใกล้ (NIR) สามารถให้ความร้อนเพียงพอที่จะทำให้ดาวเคราะห์เข้าสู่สภาวะเรือนกระจกที่ชื้น นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับดาว M-type และดาวแคระเย็นตัวอื่น ๆ ซึ่งรู้จักกันดีในการสร้าง NIR เมื่อรังสีนี้ทำให้เมฆอุ่นขึ้นไอน้ำจะลอยขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศ
เพื่อกล่าวถึงเรื่องนี้ Fujii และทีมของเธออาศัยโมเดลการหมุนเวียนทั่วไปสามมิติ (GCMs) ซึ่งรวมการหมุนเวียนของบรรยากาศและความหลากหลายทางภูมิอากาศ เพื่อเป็นแบบอย่างทีมจึงเริ่มต้นด้วยดาวเคราะห์ที่มีชั้นบรรยากาศคล้ายโลกและถูกปกคลุมด้วยมหาสมุทรอย่างสิ้นเชิง สิ่งนี้ทำให้ทีมสามารถเห็นได้อย่างชัดเจนว่าการแปรผันของระยะทางจากดาวประเภทต่าง ๆ จะส่งผลต่อสภาวะบนพื้นผิวดาวเคราะห์อย่างไร
สมมติฐานเหล่านี้ทำให้ทีมสามารถเห็นได้อย่างชัดเจนว่าการเปลี่ยนระยะทางของวงโคจรและประเภทของการแผ่รังสีของดาวฤกษ์ส่งผลต่อปริมาณของไอน้ำในบรรยากาศ ดังที่ดร. ฟูจิอิอธิบายไว้ในการแถลงข่าวของนาซา:
“ การใช้แบบจำลองที่จำลองสภาพบรรยากาศสมจริงยิ่งขึ้นเราค้นพบกระบวนการใหม่ที่ควบคุมการอยู่อาศัยของดาวเคราะห์นอกระบบและจะแนะนำเราในการระบุผู้สมัครเพื่อการศึกษาต่อไป ... เราพบบทบาทสำคัญสำหรับประเภทของรังสีที่ดาวปล่อยออกมา มีการหมุนเวียนของดาวเคราะห์นอกระบบในชั้นบรรยากาศเพื่อทำให้เรือนกระจกชื้น”
ในท้ายที่สุดโมเดลใหม่ของทีมแสดงให้เห็นว่าเนื่องจากดาวมวลต่ำปล่อยแสงจำนวนมากที่ความยาวคลื่น NIR สภาวะเรือนกระจกชื้นจะส่งผลให้ดาวเคราะห์โคจรรอบพวกเขาอย่างใกล้ชิด สิ่งนี้จะส่งผลให้เกิดเงื่อนไขบนพื้นผิวของพวกเขาซึ่งเปรียบได้กับสิ่งที่โลกมีประสบการณ์ในเขตร้อนที่ซึ่งมีสภาพอากาศร้อนและชื้นแทนที่จะร้อนและแห้ง
แบบจำลองของพวกเขาชี้ให้เห็นว่ากระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วย NIR ช่วยเพิ่มความชุ่มชื้นในสตราโตสเฟียร์อย่างค่อยเป็นค่อยไปจนถึงจุดที่ดาวเคราะห์นอกระบบที่โคจรรอบดาวฤกษ์ใกล้เคียง วิธีการใหม่ในการประเมินความเป็นไปได้ที่จะเกิดขึ้นนั้นจะช่วยให้นักดาราศาสตร์จำลองการไหลเวียนของชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์และคุณสมบัติพิเศษของการไหลเวียนนั้นซึ่งเป็นสิ่งที่แบบจำลองหนึ่งมิติไม่สามารถทำได้
ในอนาคตทีมงานวางแผนที่จะประเมินว่าการเปลี่ยนแปลงในลักษณะของดาวเคราะห์ - เช่นแรงโน้มถ่วง, ขนาด, องค์ประกอบบรรยากาศและความดันพื้นผิว - อาจมีผลต่อการไหลเวียนของไอน้ำและการอยู่อาศัย สิ่งนี้จะรวมถึงแบบจำลองสามมิติที่คำนึงถึงรูปแบบการหมุนเวียนของดาวเคราะห์ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถกำหนดความเป็นไปได้ในการอาศัยอยู่ได้ของดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลด้วยความแม่นยำมากขึ้น ดังที่ Anthony Del Genio ระบุ:
“ ตราบใดที่เรารู้อุณหภูมิของดาวเราสามารถประเมินได้ว่าดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้กับดาวฤกษ์ของพวกเขามีศักยภาพที่จะอยู่ในสภาพเรือนกระจกชื้นหรือไม่ เทคโนโลยีในปัจจุบันจะถูกผลักไปจนถึงขีด จำกัด เพื่อตรวจจับไอน้ำปริมาณเล็กน้อยในบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ หากมีน้ำเพียงพอที่จะตรวจจับได้อาจหมายความว่าดาวเคราะห์อยู่ในสภาวะเรือนกระจกชื้น”
นอกเหนือจากการเสนอวิธีการที่ครอบคลุมมากขึ้นในการกำหนดความน่าอยู่อาศัยของดาวเคราะห์นอกระบบการศึกษานี้ยังเป็นข่าวดีสำหรับนักล่าดาวเคราะห์นอกระบบที่หวังจะพบดาวเคราะห์ที่อาศัยอยู่รอบดาวฤกษ์ประเภท M ดาวมวลต่ำมวลเบาพิเศษชนิด M เป็นดาวฤกษ์ที่พบมากที่สุดในจักรวาลคิดเป็นประมาณ 75% ของดาวทั้งหมดในทางช้างเผือก รู้ว่าพวกเขาสามารถรองรับดาวเคราะห์นอกระบบที่อาศัยอยู่ได้ช่วยเพิ่มโอกาสในการค้นหา
นอกจากนี้การศึกษาครั้งนี้เป็นข่าวดีอย่างมากเนื่องจากมีการวิจัยเมื่อไม่นานมานี้ซึ่งมีข้อสงสัยอย่างมากเกี่ยวกับความสามารถของดาวฤกษ์ประเภท M ในการโฮสต์ดาวเคราะห์ที่น่าอยู่ การวิจัยครั้งนี้จัดทำขึ้นเพื่อตอบสนองดาวเคราะห์นอกระบบหลายดวงที่ถูกค้นพบรอบดาวแคระแดงใกล้ ๆ สิ่งที่พวกเขาเปิดเผยก็คือโดยทั่วไปดาวแคระแดงจะมีแสงจ้ามากเกินไปและสามารถดึงดาวเคราะห์ในบรรยากาศของพวกเขาออกมา
สิ่งเหล่านี้รวมถึงระบบ 7 ดาวเคราะห์ TRAPPIST-1 (สามแห่งนั้นอยู่ในเขตเอื้ออาศัยของดาว) และดาวเคราะห์นอกระบบที่ใกล้เคียงที่สุดกับระบบสุริยะ Proxima b จำนวนดาวเคราะห์คล้ายโลกที่ค้นพบรอบดาวฤกษ์ประเภท M บวกกับอายุขัยที่ยาวนานของดาวฤกษ์นี้ทำให้หลายคนในชุมชนทางดาราศาสตร์ทำการสำรวจดาวแคระแดงซึ่งอาจเป็นสถานที่ที่น่าจะพบดาวเคราะห์นอกระบบได้มากที่สุด
จากการศึกษาล่าสุดนี้ซึ่งบ่งชี้ว่าดาวเคราะห์เหล่านี้อาจอาศัยอยู่ได้หลังจากทั้งหมดดูเหมือนว่าลูกบอลจะกลับมาอยู่ในสนามได้อย่างมีประสิทธิภาพ!
