ตั้งอยู่ในใจกลางของ NASA Center for Climate Simulation (NCCS) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ Goddard Space Flight Center - เป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Discover ซึ่งเป็นคลัสเตอร์ 129,000 คอร์ของโปรเซสเซอร์ที่ใช้ Linux ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เครื่องนี้ซึ่งสามารถปฏิบัติการ 6.8 petaflops (6.8 ล้านล้านครั้ง) ต่อวินาทีได้รับมอบหมายให้ทำงานแบบจำลองสภาพภูมิอากาศที่ซับซ้อนเพื่อคาดการณ์สภาพอากาศของโลกในอนาคต
อย่างไรก็ตาม NCCS ก็เริ่มที่จะอุทิศพลังการคำนวณแบบซูเปอร์ค้นพบบางส่วนเพื่อคาดการณ์ว่าเงื่อนไขใดบ้างที่อาจเป็นเช่นเดียวกับดาวเคราะห์กว่า 4,000 ดวงที่ถูกค้นพบนอกระบบสุริยะของเรา ไม่เพียง แต่การจำลองสถานการณ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์เหล่านี้จำนวนมากสามารถอาศัยอยู่ได้ แต่เป็นหลักฐานเพิ่มเติมว่าแนวคิดเรื่อง "ความเป็นอยู่ที่ดี" ของเราสามารถใช้การคิดใหม่
แม้จะมีการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบจำนวนมากที่เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังถูกบังคับให้ต้องพึ่งพาแบบจำลองสภาพภูมิอากาศเพื่อกำหนดว่าในหมู่พวกเขานั้น ในปัจจุบันการสำรวจดาวเคราะห์เหล่านี้ผ่านยานอวกาศนั้นไม่สามารถทำได้อย่างสมบูรณ์เนื่องจากระยะทางที่เกี่ยวข้อง
ดังที่เราได้กล่าวถึงในบทความก่อนหน้านี้มันใช้เวลาประมาณ 19,000 ถึง 81,000 ปีในการเข้าถึงระบบดาวที่ใกล้ที่สุด (อัลฟาเซ็นทอรี) โดยใช้วิธีการและเทคโนโลยีในปัจจุบัน นอกจากนี้การสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบโดยตรงเป็นไปได้เฉพาะในกรณีที่หายากโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ของวันนี้ซึ่งโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ในระยะไกล ดาวเคราะห์เหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเป็นก๊าซยักษ์ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับการอยู่อาศัย
ไม่ว่าในกรณีใดนักดาราศาสตร์พบว่าดาวเคราะห์ทุกดวงที่ถูกค้นพบเกินกว่าระบบสุริยะของเรานั้นมีอยู่ในธรรมชาติ ส่วนใหญ่ดาวเคราะห์นอกระบบ 4,108 ดวงที่ได้รับการยืนยันจนถึงปัจจุบันนั้นอาจเป็นดาวก๊าซยักษ์คล้ายดาวเนปจูน (1375) ดาวก๊าซยักษ์คล้ายดาวพฤหัสบดี (1293) หรือซุปเปอร์เอิร์ ธ (1273) มีดาวเคราะห์นอกระบบเพียง 161 ดวงเท่านั้นที่เป็นพื้นโลก (อาคา. มีหินหรือ“ คล้ายโลก”) ในธรรมชาติพวกเขาทั้งหมดพบรอบดาวฤกษ์ประเภท M (ดาวแคระแดง)
ในฐานะที่เป็น Elisa Quintana นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์นาซาก็อดดาร์ดซึ่งเป็นผู้นำทีมในการค้นพบ Kepler-186f ในปี 2014 ดาวเคราะห์ขนาดโลกแรกในโซนอาศัย (HZ) อธิบาย:
“ เป็นเวลานานที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสำคัญกับการค้นหาระบบที่คล้ายกับดวงอาทิตย์และโลก นั่นคือทั้งหมดที่เรารู้ แต่เราพบว่ามีความหลากหลายอย่างบ้าคลั่งในดาวเคราะห์ เราพบว่าดาวเคราะห์มีขนาดเล็กเท่าดวงจันทร์ เราพบดาวเคราะห์ยักษ์ และเราก็พบว่ามีวงโคจรดาวดวงเล็กดวงดาวขนาดยักษ์และดาวฤกษ์หลายดวง”
การค้นพบดาวเคราะห์ดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่ภายใน HZs ของดาวแคระแดงนั้นเป็นจุดเริ่มต้นของความตื่นเต้นที่ยิ่งใหญ่ ดาวเหล่านี้ไม่เพียง แต่พบมากที่สุดในจักรวาลของเรา - คิดเป็น 85% ของดาวในทางช้างเผือกเพียงอย่างเดียว - แต่พบว่ามีดาวฤกษ์หลายดวงที่โคจรรอบดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้กับระบบสุริยะ
ซึ่งรวมถึงดาวเคราะห์ทั้งสามที่โคจรอยู่ภายใน HZ ของ TRAPPIST-1 (ห่างออกไป 39.46 ปีแสง) และ Proxima b ซึ่งเป็นดาวเคราะห์นอกระบบที่ใกล้ที่สุดสู่โลก (4.24 ปีแสง) น่าเสียดายที่มีการศึกษาจำนวนมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาซึ่งระบุว่าดาวเคราะห์เหล่านี้จะมีช่วงเวลาที่ยากลำบากในการรักษาบรรยากาศที่มีชีวิตอยู่ตลอดเวลา
ความจริงที่ว่ามันเล็กกว่าและเย็นกว่าหมายความว่าดาวแคระแดงมี HZ ที่อยู่ใกล้กับพื้นผิวมาก ซึ่งหมายความว่าดาวเคราะห์ใดก็ตามที่โคจรด้วย HZ ของดาวแคระแดงมีแนวโน้มที่จะถูกล็อกกับพวกมันซึ่งหมายถึงด้านหนึ่งหันหน้าเข้าหาดาวตลอดเวลาและเมื่อสิ้นสุดการรับความร้อนรังสีและลมสุริยะทั้งหมดของดาว
ดาวเคราะห์เหล่านี้น่าจะอาศัยอยู่ได้หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการเช่นการปรากฏตัวของชั้นบรรยากาศที่หนาแน่นการปรากฏตัวของสนามแม่เหล็กและความอุดมสมบูรณ์ของสารเคมีที่เหมาะสม แทนที่จะสามารถมองเห็นดาวเคราะห์ได้โดยตรงและตรวจสอบส่วนผสมเหล่านี้เพื่อชีวิต (หรือที่รู้จักกันในนามชีวประวัติ) นักวิทยาศาสตร์พึ่งพาโมเดลภูมิอากาศเพื่อช่วยในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบที่มีศักยภาพ
จากคำกล่าวของ Karl Stapelfeldt หัวหน้านักวิทยาศาสตร์นอกระบบดาวเคราะห์ของนาซ่าซึ่งตั้งอยู่ที่ Jet Propulsion Laboratory ความสามารถในการจำลองสภาพอากาศบนดาวเคราะห์ดวงอื่นเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง เพื่ออนาคตของการสำรวจอวกาศ“ แบบจำลองนี้สร้างการทำนายที่เฉพาะเจาะจงและทดสอบได้ในสิ่งที่เราควรเห็น” เขากล่าว “ สิ่งเหล่านี้สำคัญมากสำหรับการออกแบบกล้องโทรทรรศน์ในอนาคตของเราและการสังเกตกลยุทธ์”
การทำแบบจำลองสภาพภูมิอากาศเกี่ยวข้องกับการสร้างแบบจำลองสภาพภูมิอากาศของโลก (หรือดาวเคราะห์อื่น) ว่าเป็นอย่างไรโดยขึ้นอยู่กับเงื่อนไขเฉพาะและ / หรือการเปลี่ยนแปลงด้านสิ่งแวดล้อม เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่งานนี้จัดทำโดย Anthony Del Genio นักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศที่เพิ่งเกษียณจากการทำงานที่สถาบัน Goddard เพื่อการศึกษาอวกาศ ในอาชีพของเขา Del Genio ทำการจำลองสภาพภูมิอากาศที่เกี่ยวข้องกับโลกและดาวเคราะห์ดวงอื่น (รวมถึง Proxima b)
ในการสรุปภาพ Proxima b มีขนาดเท่ากับโลกและมีมวลอย่างน้อย 1.3 เท่า มันโคจรรอบดาวฤกษ์ของมัน (Proxima Centauri) ทุกๆ 11.2 วันของโลกและที่ระยะ 0.05 AU (5% ระยะทางระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์) ในระยะนี้ดาวเคราะห์น่าจะถูกจับด้วยแรงโน้มถ่วงกับดาวฤกษ์โดยที่อีกด้านหนึ่งสัมผัสกับการแผ่รังสีที่รุนแรงของดาวในขณะที่อีกด้านหนึ่งอยู่ภายใต้ความมืดคงที่และอุณหภูมิเยือกแข็ง
อย่างไรก็ตามทีมของ Del Genio ได้จำลองภูมิอากาศที่เป็นไปได้ใน Proxima อีกครั้งเพื่อทดสอบดูว่ามีกี่คนในสภาพแวดล้อมที่อบอุ่นและเปียกชื้นซึ่งสามารถช่วยชีวิตได้ สิ่งที่น่าสนใจก็คือแบบจำลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์อย่าง Proxima b สามารถอยู่อาศัยได้แม้ว่าจะถูกปิดกั้นไว้และการแผ่รังสีทั้งหมดที่ด้านหนึ่งสัมผัส
เพื่อทำการจำลองสถานการณ์เหล่านี้ทีมงานของ Del Genio ใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Discover เพื่อรันโปรแกรมจำลองดาวเคราะห์ที่พวกเขาพัฒนาขึ้นเอง - เรียกว่า ROCKE-3D เครื่องจำลองนี้มีพื้นฐานมาจากรุ่นของแบบจำลองสภาพภูมิอากาศของโลกที่พัฒนาขึ้นครั้งแรกในปี 1970 เพื่อให้สามารถจำลองสภาพภูมิอากาศบนดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ โดยขึ้นอยู่กับชนิดของวงโคจรที่พวกเขาอาจมีและองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศ
สำหรับการจำลองแต่ละครั้งทีมของ Del Genio ได้ปรับเงื่อนไขใน Proxima b เพื่อดูว่ามันจะส่งผลต่อสภาพอากาศอย่างไร สิ่งนี้รวมถึงการปรับประเภทและปริมาณของก๊าซเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศความลึกขนาดและความเค็มของมหาสมุทรและอัตราส่วนของที่ดินต่อน้ำ จากสิ่งนี้พวกเขาสามารถเห็นว่าเมฆและมหาสมุทรจะไหลเวียนอย่างไรและการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ของดาวเคราะห์จะมีปฏิสัมพันธ์กับบรรยากาศและพื้นผิวของ Proxima b อย่างไร
สิ่งที่พวกเขาพบก็คือชั้นเมฆสมมุติของ Proxima b จะทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันรังสีจากดวงอาทิตย์จากพื้นผิวและลดอุณหภูมิในด้านที่หันหน้าเข้าหาดวงอาทิตย์ของ Proxima สิ่งนี้สอดคล้องกับการวิจัยที่จัดทำโดยนักวิทยาศาสตร์ผู้ขายดาวเคราะห์นอกระบบความร่วมมือ (SEEC) ที่นาซาก็อดดาร์ดซึ่งแสดงให้เห็นว่า Proxima b สามารถก่อตัวเป็นเมฆขนาดใหญ่มากจนปกคลุมทั่วทั้งท้องฟ้าได้อย่างไร
ในฐานะ Ravi Kopparapu นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ของนาซาก็อดดาร์ดซึ่งเป็นแบบจำลองสภาพอากาศของดาวเคราะห์นอกระบบที่มีศักยภาพ
“ หากดาวเคราะห์ถูกล็อกด้วยแรงโน้มถ่วงและหมุนอย่างช้าๆบนแกนของมันวงกลมของเมฆจะก่อตัวที่ด้านหน้าของดาวฤกษ์ชี้ไปที่มันเสมอ นี่เป็นเพราะแรงที่เรียกว่าเอฟเฟกต์โคลิโอลิสซึ่งทำให้เกิดการพาความร้อน ณ ตำแหน่งที่ดาวฤกษ์ร้อนในบรรยากาศ การสร้างแบบจำลองของเราแสดงให้เห็นว่า Proxima b อาจมีลักษณะเช่นนี้”
นอกเหนือจากการไหลเวียนของมหาสมุทรวงกลมของเมฆนี้ยังหมายความว่าอากาศและน้ำอุ่นสามารถเคลื่อนที่ไปยังด้านมืดของดาวเคราะห์ได้ดังนั้นจึงสามารถถ่ายโอนความร้อนและทำให้โลกทั้งโลกมีอัธยาศัยดี “ ดังนั้นคุณจึงไม่เพียง แต่รักษาบรรยากาศด้านกลางคืนจากการแช่แข็งเท่านั้นคุณยังสร้างชิ้นส่วนทางด้านกลางคืนที่ดูแลรักษาสภาพคล่องของของเหลวบนพื้นผิวแม้ว่าชิ้นส่วนเหล่านั้นจะไม่เห็นแสง” Del Genio กล่าว
นอกเหนือจากการหมุนเวียนและการรักษาความร้อนแล้วบรรยากาศและกระแสน้ำในมหาสมุทรยังมีหน้าที่กระจายก๊าซและองค์ประกอบทางเคมีที่จำเป็นต่อชีวิตตามที่เรารู้ - ก๊าซออกซิเจน, คาร์บอนไดออกไซด์, มีเธน ฯลฯ เป็นที่รู้จักกันในนาม "ชีวประวัติ" เนื่องจากมันมีความจำเป็นต่อชีวิตบนโลกนี้หรือเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางชีวภาพ
อย่างไรก็ตาม“ ที่เรารู้จัก” เป็นคำหลักที่นี่ ในปัจจุบันโลกยังคงเป็นดาวเคราะห์ที่รู้จักอาศัยอยู่ได้และรูปแบบชีวิตที่หลากหลายที่มันสนับสนุนเป็นเพียงตัวอย่างเดียวที่เราคุ้นเคย ดังนั้นการค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกโลกในปัจจุบันจึง จำกัด อยู่ที่การค้นหาชีวประวัติที่จำเป็นสำหรับ (และสัมพันธ์กับที่รู้จัก) รูปแบบของชีวิต นี่คือสิ่งที่เราเรียกว่า "วิธีการผลไม้แขวนต่ำ"
ยิ่งไปกว่านั้นโลกมีวิวัฒนาการอย่างมากในช่วงไม่กี่พันล้านปีที่ผ่านมาเช่นเดียวกับสิ่งมีชีวิตที่เรียกว่าบ้าน ในขณะที่ก๊าซออกซิเจนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมันจะเป็นพิษต่อแบคทีเรียสังเคราะห์แสงที่เจริญเติบโตในก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซไนโตรเจนที่มีอยู่บนโลกหลายพันล้านปีก่อน
ดังนั้นในขณะที่การสร้างแบบจำลองชนิดนี้ไม่สามารถบอกได้อย่างแน่นอนว่ามีดาวเคราะห์ดวงใดอยู่อาศัยแน่นอนมันสามารถช่วยให้การค้นหาแคบลงโดยการแสดงว่าผู้สมัครคนใดที่มีแนวโน้มเป็นเป้าหมายในการสังเกตการณ์ติดตามผล “ ในขณะที่งานของเราไม่สามารถบอกผู้สังเกตการณ์ได้ว่ามีดาวเคราะห์ดวงใดอยู่อาศัยหรือไม่เราสามารถบอกพวกเขาได้ว่าดาวเคราะห์ดวงหนึ่งอยู่ตรงกลางผู้สมัครที่ดีเพื่อค้นหาต่อไป” Del Genio กล่าว
สิ่งนี้จะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในไม่กี่ปีข้างหน้าเมื่อกล้องรุ่นต่อไปใช้พื้นที่ สิ่งเหล่านี้รวมถึงกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ซึ่งมีกำหนดจะเปิดตัวในปี 2564 และกล้องโทรทรรศน์อวกาศอินฟาเรด (WFIRST) ซึ่งจะเปิดตัวในปี 2566 พร้อมด้วยหอสังเกตการณ์ภาคพื้นดินเช่นกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มาก (เอลที) เครื่องมือจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สังเกตดาวเคราะห์ขนาดเล็กโดยตรงเป็นครั้งแรก
Coronographs เช่น Starshade จะสร้างความแตกต่างอย่างใหญ่หลวงโดยการจมแสงจากดวงดาวซึ่งมิฉะนั้นแสงจะสะท้อนจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ การพัฒนาเหล่านี้และอื่น ๆ หมายความว่านักดาราศาสตร์จะสามารถศึกษาบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบหินได้เช่นกันซึ่งจะช่วยให้พวกเขาพูดด้วยความมั่นใจในที่สุดว่าดาวเคราะห์ใดเป็น“ อยู่อาศัยได้”
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ตรวจสอบภาพเคลื่อนไหวของสภาพภูมิอากาศของ Proxima b ซึ่งได้รับความอนุเคราะห์จากทีมงานของ Del Genio และ NASA Goddard Space Flight Center:
