Een studie suggereert dat metaalarme sterren levensvriendelijker zijn

Sterren die relatief veel zware elementen bevatten, bieden minder gunstige voorwaarden voor het ontstaan ​​van complex leven dan metaalarme sterren, ontdekten wetenschappers van de Max Planck Institutes for Solar System Research and Chemistry en van de Universiteit van Göttingen. .

Het team liet zien hoe de metalliciteit van een ster verband houdt met het vermogen van zijn planeten om zichzelf te omringen met een beschermende ozonlaag. Cruciaal daarbij is de intensiteit van het ultraviolette licht dat de ster in de ruimte uitzendt, in verschillende golflengtebereiken. De studie biedt wetenschappers die met ruimtetelescopen de hemel afspeuren naar bewoonbare sterrenstelsels belangrijke aanwijzingen over waar dit streven bijzonder veelbelovend zou kunnen zijn.

Hij suggereert ook een verrassende conclusie: naarmate het universum ouder wordt, wordt het steeds onvriendelijker voor het ontstaan ​​van complex leven op nieuwe planeten.

Bij het zoeken naar bewoonbare of zelfs bewoonde planeten rond verre sterren hebben onderzoekers zich de laatste jaren steeds meer gericht op de gasvormige omhulsels van deze werelden. Tonen de waarnemingsgegevens bewijs van de atmosfeer? Bevat het mogelijk zelfs gassen zoals zuurstof of methaan, die bijna uitsluitend op aarde worden geproduceerd als stofwisselingsproducten van levensvormen?

In de komende jaren zullen dergelijke waarnemingen naar nieuwe grenzen worden verlegd: NASA’s James Webb-telescoop zal het niet alleen mogelijk maken om de atmosfeer van grote gasreuzen zoals Super Neptunus te karakteriseren, maar ook om voor het eerst zwakkere spectrale signalen van de atmosfeer te analyseren van een rotsachtige planeet.

Met behulp van numerieke simulaties is de huidige studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie Tegenwoordig komt het neer op het ozongehalte in de atmosfeer van de exoplaneten. Net als op aarde kan deze verbinding van drie zuurstofatomen het oppervlak van de planeet (en de levensvormen erop) beschermen tegen celbeschadigende ultraviolette (UV) straling.

De ozonlaag is dus een belangrijke voorwaarde voor het ontstaan ​​van complex leven. Anna Shapiro, een wetenschapper aan het Max Planck Institute for Solar System Research en eerste auteur van de huidige studie, legt het basisidee uit: “We wilden begrijpen welke eigenschappen een ster moet hebben om ervoor te zorgen dat zijn planeten een beschermende ozonlaag vormen. ”

Zoals zo vaak in de wetenschap, ontstond dit idee door een eerdere ontdekking. Drie jaar geleden vergeleken onderzoekers onder leiding van het Max Planck Institute for Solar System Research de verschillen in helderheid van de zon met honderden zonachtige sterren. Het resultaat: de intensiteit van het zichtbare licht van veel van deze sterren fluctueert veel sterker dan bij de zon. “We zagen enorme pieken in intensiteit”, zegt Alexander Shapiro, die drie jaar geleden zowel bij de analyses als bij het huidige onderzoek betrokken was.

“Het is daarom heel goed mogelijk, voegt hij eraan toe, dat de zon ook in staat zou zijn tot dergelijke golven in intensiteit. In dit geval zou de intensiteit van ultraviolet licht ook dramatisch toenemen.” “Het is logisch om je af te vragen wat dit betekent voor het leven op aarde en wat de situatie is in andere sterrenstelsels”, zegt Sami Solanki, directeur van het Max Planck Institute for Solar System Research en co-auteur van beide studies.

UV dubbele rol

Op het oppervlak van ongeveer de helft van alle sterren die in een baan om exoplaneten draaien, variëren de temperaturen van ongeveer 5.000 tot ongeveer 6.000 graden Celsius. Dus richtten de onderzoekers hun berekeningen op deze subgroep. Met een oppervlaktetemperatuur van rond de 5.500°C is de zon daar ook een van. “In de chemie van de atmosfeer van de aarde speelt ultraviolette straling van de zon een dubbele rol”, legt Anna Shapiro uit, wiens eerdere onderzoeksinteresses zich richtten op het effect van zonnestraling op de atmosfeer van de aarde.

In reacties met individuele zuurstofatomen en zuurstofmoleculen kan ozon worden gevormd en vernietigd. Terwijl UVA-stralen ozon vernietigen, helpen UVB-stralen een beschermende ozonlaag in de middelste atmosfeer te creëren. “Het was dus redelijk om te veronderstellen dat ultraviolet licht ook een soortgelijk complex effect zou kunnen hebben op de atmosfeer van exoplaneten”, voegt de astronoom toe. De exacte golflengten zijn cruciaal.

Dus berekenden de onderzoekers precies uit welke golflengten ultraviolet licht van sterren bestaat. Voor het eerst keken ze ook naar de invloed van metalliciteit. Deze eigenschap beschrijft de verhouding tussen waterstof en zwaardere elementen (op een ietwat simplistische en misleidende manier die astrofysici ze “metalen” noemen) in het bouwmateriaal van een ster. In het geval van de zon zijn er meer dan 31.000 waterstofatomen voor elk ijzeratoom. De studie keek ook naar sterren met een laag en hoog ijzergehalte.

Gesimuleerde interacties van ultraviolette straling met gassen

In een tweede stap onderzocht het team hoe de berekende ultraviolette straling de atmosfeer beïnvloedt van planeten die op een levensvriendelijke afstand rond deze sterren cirkelen. Ruimtes die geschikt zijn voor leven zijn ruimten die gematigde temperaturen toelaten – noch te warm noch te koud voor vloeibaar water – op het oppervlak van de planeet. Voor dergelijke werelden simuleerde het team op de computer precies hoe het ultraviolette licht wordt verwerkt dat kenmerkend is voor de moederster die door de atmosfeer van de planeet beweegt.

Om de samenstelling van de atmosfeer van de planeten te berekenen, gebruikten de onderzoekers een chemisch-klimaatmodel dat de processen simuleert die zuurstof, ozon en vele andere gassen regelen, en hun interacties met ultraviolette straling van sterren, met een zeer hoge spectrale resolutie. Dit model maakte het mogelijk verschillende omstandigheden op exoplaneten te onderzoeken en te vergelijken met de geschiedenis van de atmosfeer van de aarde in de afgelopen half miljard jaar.

Gedurende deze periode ontstond er een hoog zuurstofgehalte in de atmosfeer en maakte de ozonlaag de ontwikkeling van het leven op aarde op onze planeet mogelijk. “Het is mogelijk dat de geschiedenis van de aarde en haar atmosfeer aanwijzingen bevat over de evolutie van het leven die ook van toepassing kunnen zijn op exoplaneten”, zegt Jos Lelieveld, algemeen directeur van het Max Planck Instituut voor Chemie, die bij het onderzoek betrokken was.

veelbelovende kandidaten

De resultaten van de simulatie verrasten de wetenschappers. Over het algemeen zenden metaalarme sterren meer ultraviolette straling uit dan hun metaalrijke tegenhangers. Maar de verhouding tussen ozongenererende UV-B en ozonvernietigende UV-B hangt ook kritisch af van metalliciteit: in metaalarme sterren overheerst UV-straling, waardoor de vorming van een dichte ozonlaag mogelijk wordt. Voor metaalrijke sterren, met meer verstrooide UV-B-straling, is deze beschermende omhulling schaarser.

“In tegenstelling tot de verwachtingen zouden sterren zonder metalen omstandigheden moeten bieden die geschikter zijn voor het ontstaan ​​van leven”, concludeerde Anna Shapiro, en de ontdekking zou nuttig kunnen zijn voor toekomstige ruimtemissies zoals de ESA Plato-missie, die door een grote verscheidenheid aan sterren zal kammen. . Voor tekenen van bewoonbare buitenplaneten. Met 26 telescopen aan boord zal de gelijknamige sonde in 2026 de ruimte in worden gelanceerd en haar aandacht vooral richten op aardachtige planeten die op levensvriendelijke afstanden in een baan om zonachtige sterren draaien.

Het datacentrum van de missie wordt momenteel gebouwd bij het Max Planck Instituut voor onderzoek naar zonnestelsels. “Onze huidige studie geeft ons waardevolle aanwijzingen over aan welke sterren Plato speciale aandacht moet besteden”, zegt Laurent Gizon, algemeen directeur van het instituut en co-auteur van de huidige studie.

Paradoxale conclusie

Bovendien komt de studie tot een bijna paradoxale conclusie: naarmate het universum ouder wordt, zal het waarschijnlijk steeds vijandiger worden tegenover het leven. Metalen en andere zware elementen worden aan het einde van hun leven van enkele miljarden jaren in sterren gevormd en komen – afhankelijk van de massa van de ster – vrij in de ruimte in de vorm van stellaire winden of in een supernova-explosie: het bouwmateriaal voor de volgende generatie sterren.

“Elke nieuw gevormde ster heeft bouwmaterialen die rijker zijn aan metaal dan zijn voorgangers”, zegt Anna Shapiro. “De sterren in het universum worden met elke generatie metaalrijker.” Volgens de nieuwe studie neemt ook de kans af dat sterrenstelsels leven voortbrengen naarmate het universum ouder wordt. De zoektocht naar het leven is echter niet hopeloos. Veel gaststerren van exoplaneten hebben immers een vergelijkbare levensduur als de zon. Het is al bekend dat deze ster complexe en interessante levensvormen herbergt op ten minste één van zijn planeten.