เมื่อค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบที่อาศัยอยู่ได้สิ่งหนึ่งที่สำคัญที่สุดที่นักดาราศาสตร์มองหาคือการสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบที่โคจรรอบดาวฤกษ์ของพวกเขาหรือไม่ นี่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับน้ำของเหลวที่จะมีอยู่บนพื้นผิวของดาวเคราะห์ซึ่งเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับชีวิตอย่างที่เรารู้ อย่างไรก็ตามในการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบใหม่นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักถึงกรณีที่รุนแรงที่สุดที่เรียกว่า "โลกน้ำ"
โลกน้ำเป็นดาวเคราะห์ที่มีน้ำมากถึง 50% ในมวลโลกส่งผลให้เกิดมหาสมุทรบนพื้นผิวที่อาจมีความลึกหลายร้อยกิโลเมตร จากการศึกษาใหม่โดยทีมนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันมหาวิทยาลัยมิชิแกนและมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดโลกน้ำอาจไม่สามารถลอยอยู่ในน้ำได้นานนัก การค้นพบเหล่านี้อาจมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงการตามหาดาวเคราะห์ที่อาศัยอยู่ในลำคอของจักรวาล
การศึกษาล่าสุดนี้มีชื่อว่า“ การสูญเสียน้ำของโลกผ่านการสูญเสียบรรยากาศ” เมื่อเร็ว ๆ นี้ปรากฏอยู่ในจดหมายวารสาร Astrophysical นำโดย Chuanfei Dong จากภาควิชาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Princeton ทีมได้ทำการจำลองคอมพิวเตอร์โดยคำนึงถึงสภาพของโลกใต้น้ำ
การศึกษาครั้งนี้มีแรงจูงใจส่วนใหญ่จากการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบจำนวนมากที่เกิดขึ้นรอบระบบดาวมวลต่ำประเภท M (ดาวแคระแดง) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ดาวเคราะห์เหล่านี้พบว่ามีขนาดใกล้เคียงกับโลกซึ่งบ่งชี้ว่าพวกมันน่าจะเป็นพื้นโลก (เช่นหิน) นอกจากนี้ดาวเคราะห์จำนวนมากเหล่านี้ - เช่น Proxima b และดาวเคราะห์สามดวงในระบบ TRAPPIST-1 - ถูกพบว่ากำลังโคจรอยู่ภายในเขตเอื้ออาศัยของดาวฤกษ์
อย่างไรก็ตามการศึกษาครั้งต่อมาชี้ให้เห็นว่าพร็อกซิมาบีและดาวเคราะห์หินอื่น ๆ ที่โคจรรอบดาวแคระแดงในความเป็นจริงอาจเป็นโลกน้ำ สิ่งนี้ขึ้นอยู่กับการประเมินมวลที่ได้จากการสำรวจทางดาราศาสตร์และสมมติฐานในตัวที่ว่าดาวเคราะห์ดังกล่าวเป็นหินในธรรมชาติและไม่มีชั้นบรรยากาศขนาดใหญ่ ในขณะเดียวกันก็มีการศึกษาจำนวนมากที่สร้างความสงสัยว่าดาวเคราะห์เหล่านี้จะสามารถกักเก็บน้ำได้หรือไม่
โดยพื้นฐานแล้วมันทั้งหมดลงไปที่ประเภทของดาวฤกษ์และพารามิเตอร์วงโคจรของดาวเคราะห์ ในขณะที่ดาวแคระแดงเป็นที่รู้จักกันมานานว่าแปรปรวนและไม่เสถียรเมื่อเทียบกับดวงอาทิตย์ของเรา นอกเหนือจากนั้นดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่ภายในเขตเอื้ออาศัยของดาวแคระแดงน่าจะถูกล็อกไว้เป็นทางซึ่งหมายความว่าอีกด้านหนึ่งของโลกจะได้รับรังสีจากดาวฤกษ์อย่างต่อเนื่อง
ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงมุ่งเน้นไปที่การสำรวจว่าดาวเคราะห์นอกระบบในระบบดาวประเภทต่าง ๆ สามารถจับบรรยากาศของพวกมันได้ดีเพียงใด ดังที่ดร. ดงบอกนิตยสารอวกาศผ่านอีเมล:
“ มันยุติธรรมที่จะบอกว่าการปรากฏตัวของชั้นบรรยากาศนั้นถูกมองว่าเป็นหนึ่งในข้อกำหนดสำหรับการอยู่อาศัยของดาวเคราะห์ ต้องบอกว่าแนวคิดของการอยู่อาศัยเป็นสิ่งที่ซับซ้อนที่มีปัจจัยมากมายที่เกี่ยวข้อง ดังนั้นบรรยากาศโดยตัวมันเองจะไม่เพียงพอที่จะรับประกันการอยู่อาศัย แต่มันก็ถือได้ว่าเป็นองค์ประกอบที่สำคัญสำหรับดาวเคราะห์ที่จะสามารถอยู่อาศัยได้”
เพื่อทดสอบว่าโลกน้ำจะสามารถเข้าสู่บรรยากาศได้หรือไม่ทีมได้ทำการจำลองคอมพิวเตอร์ที่คำนึงถึงสถานการณ์ที่หลากหลาย สิ่งเหล่านี้รวมถึงผลกระทบของสนามแม่เหล็กดาวฤกษ์การปล่อยมวลโคโรนาและการไอออไนซ์ในบรรยากาศและการขับออกสำหรับดาวประเภทต่าง ๆ - รวมถึงดาวประเภท G (เช่นดวงอาทิตย์ของเรา) และดาว M-type (เช่น Proxima Centauri และ TRAPPIST-1)
ด้วยผลกระทบเหล่านี้ทำให้ดร. ดงและเพื่อนร่วมงานของเขาได้รับแบบจำลองที่ครอบคลุมซึ่งจำลองว่าบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบจะนานแค่ไหน ตามที่เขาอธิบายไว้:
“ เราพัฒนาแบบจำลอง magnetohydrodynamic แบบหลายของเหลวใหม่ แบบจำลองได้จำลองทั้งบรรยากาศรอบนอกและสนามแม่เหล็กโดยรวม เนื่องจากการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กไดโพลลมดวงดาวไม่สามารถกวาดชั้นบรรยากาศโดยตรง (เช่นดาวอังคารเนื่องจากไม่มีสนามแม่เหล็กขั้วคู่ทั่วโลก) แทนการสูญเสียไอออนของบรรยากาศเกิดจากลมขั้วโลก
“ อิเล็กตรอนมีมวลน้อยกว่าไอออนของพ่อแม่และเป็นผลให้เร่งความเร็วได้เร็วขึ้นและมากขึ้นกว่าความเร็วการหลบหนีของดาวเคราะห์ การแยกประจุระหว่างอิเลคตรอนหนีมวลต่ำและไอออนหนักที่มีประจุบวกอย่างมีนัยสำคัญจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าโพลาไรเซชัน ในทางกลับกันสนามไฟฟ้านั้นจะทำหน้าที่ดึงไอออนที่มีประจุบวกไปทางด้านหลังอิเล็กตรอนที่หลบหนีออกมาจากชั้นบรรยากาศในขั้วแคป
สิ่งที่พวกเขาพบคือแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของพวกเขาสอดคล้องกับระบบ Earth-Sun ปัจจุบัน อย่างไรก็ตามในความเป็นไปได้บางอย่างเช่นดาวเคราะห์นอกระบบรอบดาวฤกษ์ประเภท M สถานการณ์จะแตกต่างกันมากและอัตราการหลบหนีอาจมากกว่าหรือเท่ากับหนึ่งพันเท่า ผลที่ได้หมายความว่าแม้โลกน้ำถ้ามันโคจรรอบดาวแคระแดงก็อาจสูญเสียชั้นบรรยากาศหลังจากนั้นประมาณหนึ่งล้านปี (หนึ่งพันล้านปี)
เมื่อพิจารณาถึงชีวิตที่เรารู้ว่าต้องใช้เวลาประมาณ 4.5 พันล้านปีในการวิวัฒนาการหนึ่งพันล้านปีเป็นหน้าต่างที่ค่อนข้างสั้น ในความเป็นจริงดังที่ดร. ดงอธิบายผลเหล่านี้บ่งชี้ว่าดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ประเภท M นั้นยากต่อการพัฒนาชีวิต:
“ ผลการวิจัยของเราระบุว่าดาวเคราะห์ในมหาสมุทร (โคจรรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์) จะรักษาชั้นบรรยากาศของพวกมันได้นานกว่า Gyr timescale เนื่องจากอัตราการหลบหนีของไอออนนั้นอยู่ในระดับที่ต่ำเกินไปดังนั้นจึงช่วยให้ระยะเวลาที่ยาวนานสำหรับการกำเนิดดาวเคราะห์เหล่านี้ และพัฒนาในแง่ของความซับซ้อน ในทางตรงกันข้ามสำหรับดาวเคราะห์นอกระบบที่โคจรรอบดาวแคระ M พวกมันอาจทำให้มหาสมุทรหมดลงใน Gyr timescale เนื่องจากสภาพแวดล้อมของอนุภาคและการแผ่รังสีที่รุนแรงกว่าที่ดาวเคราะห์นอกระบบสัมผัสได้ในเขตเอื้ออาศัย ถ้าบรรยากาศนั้นจะหมดลงในช่วงเวลาน้อยกว่า Gyr สิ่งนี้สามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นปัญหาสำหรับต้นกำเนิดของชีวิต (abiogenesis) บนโลก”
อีกครั้งผลลัพธ์เหล่านี้ทำให้เกิดความสงสัยเกี่ยวกับความเป็นไปได้ที่ระบบดาวแคระแดงจะอาศัยอยู่ได้ ในอดีตนักวิจัยได้ระบุว่าดาวแคระแดงมีอายุยืนยาวซึ่งสามารถอยู่ในลำดับหลักได้นานถึง 10 ล้านล้านปีหรือนานกว่านั้นทำให้พวกมันเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบที่อาศัยอยู่ได้ อย่างไรก็ตามความเสถียรของดาวเหล่านี้และวิธีการที่พวกเขาน่าจะดึงดาวเคราะห์ของชั้นบรรยากาศดูเหมือนจะบ่งบอกเป็นอย่างอื่น
ดังนั้นการศึกษาเช่นนี้จึงมีความสำคัญอย่างมากในการช่วยพวกเขาในการระบุว่าดาวเคราะห์ที่อาศัยอยู่รอบดาวแคระแดงสามารถอยู่ได้นานแค่ไหน ดงระบุ:
“ ด้วยความสำคัญของการสูญเสียชั้นบรรยากาศต่อการอยู่อาศัยของดาวเคราะห์จึงมีความสนใจอย่างมากในการใช้กล้องโทรทรรศน์เช่นกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (JWST) ที่กำลังจะมาถึงเพื่อตรวจสอบว่าดาวเคราะห์เหล่านี้มีชั้นบรรยากาศหรือไม่ . คาดว่า JWST ควรจะสามารถจำแนกลักษณะของบรรยากาศเหล่านี้ (ถ้ามี) แต่การหาปริมาณอัตราการหลบหนีอย่างแม่นยำนั้นต้องการระดับความแม่นยำที่สูงกว่ามากและอาจไม่สามารถทำได้ในอนาคตอันใกล้”
การศึกษาก็มีความสำคัญเท่าที่ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับระบบสุริยจักรวาลและวิวัฒนาการนั้นเกี่ยวข้อง ครั้งหนึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้ลองคิดดูว่าทั้งโลกและดาวศุกร์อาจเป็นโลกน้ำ วิธีที่พวกเขาทำให้การเปลี่ยนแปลงจากน้ำเป็นอย่างมากกับสิ่งที่พวกเขาในวันนี้ - ในกรณีของดาวศุกร์แห้งและชั่วร้าย; และในกรณีของโลกที่มีหลายทวีป - เป็นคำถามที่สำคัญทั้งหมด
ในอนาคตการสำรวจรายละเอียดเพิ่มเติมคาดว่าจะช่วยให้เข้าใจถึงทฤษฎีการแข่งขันเหล่านี้ เมื่อกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (JWST) ถูกนำไปใช้ในฤดูใบไม้ผลิปี 2018 มันจะใช้ความสามารถอินฟราเรดที่ทรงพลังเพื่อศึกษาดาวเคราะห์รอบดาวแคระแดงใกล้เคียง Proxima b เป็นหนึ่งในนั้น สิ่งที่เราเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งนี้และดาวเคราะห์นอกระบบอื่น ๆ ที่อยู่ไกลออกไปจะเป็นการบอกเล่าความเข้าใจของเราว่าการพัฒนาของระบบสุริยะของเราเองเป็นอย่างไร
