Jsou exoměsíce potulných planet průlomem v hledání obyvatelnosti?

Tato ilustrace generovaná umělou inteligencí ukazuje exoměsíc obíhající volně putující planetu, která neobíhá kolem žádné hvězdy. Nový výzkum ukazuje, že existují určité evoluční cesty, kdy by exoměsíce obíhající kolem exoplanet mohly být dostatečně teplé pro vznik kapalné vody. Také se uvádí, že tyto obyvatelné podmínky by mohly trvat miliardy let. Existuje alespoň šance, že by na exoměsících kolem exoplanet mohl za správných okolností vzniknout složitý život?

Podle některých výzkumných odhadů by se v Mléčné dráze mohly nacházet miliardy volně putujících planet (free-floating planets – FFP). Tyto planety, nazývané také „zbloudilé planety“, se pohybují mezihvězdným prostorem po vlastních trajektoriích, bez vazby na některou hvězdu. Mnoho z těchto exoplanet se formuje kolem hvězd, stejně jako jiné planety, a proto je rozumné si předpokládat, že mají i své měsíce.

Zbloudilé planety jsou obvykle vyvrženy ze svých systémů interakcemi planet nebo blízkými průlety hvězd. V některých případech se planetární vědci domnívají, že by mohly vzniknout přímým kolapsem, stejně jako hvězdy, a možná nikdy neobíhaly kolem hvězdy. Bez ohledu na to, jak vznikají, pokud jich existují miliardy, je téměř jisté, že některé z těchto planetárních tuláků mají exoměsíce.

Ačkoliv by se zdálo, že miliardy let strávené driftováním chladným vakuem vesmíru by vyvracely možnost vzniku a vývoje života na těchto exoměsících, nový výzkum říká, že to tak nutně nemusí být. Samotné planety FFP mohou být příliš chladné, ale jejich měsíce by se daly udržovat v teple. Ve skutečnosti by se za vhodných podmínek na těchto exoměsících mohl vyvinout i složitý život, alespoň teoreticky.

Nový výzkum publikovaný v Montly Notices of the Royal Astronomical Society vysvětluje, jak by se to mohlo stát. Jeho název je „Obyvatelnost exoměsíců s převahou H2 zahřátých slapovými silami obíhajících kolem volně putujících planet“ a hlavním autorem je David Dahlbüdding, doktorandský výzkumník ve fyzice na Ludwig-Maximilians-University in Munich, Německo.

Život potřebuje kapalnou vodu a kapalná voda potřebuje zdroj tepla. Aby tedy exoměsíce mohly hostit život, je potřeba zdroj tepla. Bez hvězdy, která by jej poskytovala, může teplo pocházet ze dvou dalších zdrojů. Některé měsíce v naší Sluneční soustavě nám ukazují, jak na to.

I když jsou Jupiterovy měsíce Europa a Ganymed ve velkých vzdálenostech od Slunce, oba mají (myslíme si) podpovrchové oceány. Slapové síly udržují Europu dostatečně teplou, aby její ledem pokrytý oceán zůstal kapalný. Radiogenní ohřev dělá totéž pro Ganymed. Stejné mechanismy by mohly pomoci zbloudilým planetám a jejich exoměsícům zůstat teplými.

V této práci se autoři zaměřují na exoměsíce obíhající kolem planet, které byly kdysi součástí planetární soustavy. Modelovali 26 293 exoměsíců o hmotnosti Země obíhajících kolem FFP o hmotnosti Jupitera. Měsíce o velikosti Země jsou důležité, protože méně hmotné měsíce negenerují během slapového ohřevu tolik tepla. Méně hmotné měsíce také postrádají gravitaci, aby udržely dostatečně hustou atmosféru. „Exoměsíc podobný Zemi proto představuje věrohodně nejlepší možný scénář,“ píší autoři.

Když je planeta typu FFP vyvržena ze své planetární soustavy, její měsíc pravděpodobně skončí na excentrické oběžné dráze kolem planety, pokud není z oběžné dráhy zcela vyvržen. To je klíčové pro tuto práci.

„Exoměsíce kolem volně putujících planet (FFP) mohou přežít vyvržení své hostitelské planety,“ píší autoři. „Takové vyvržení může zvýšit jejich orbitální excentricitu a poskytnout tak významná slapový ohřev v nepřítomnosti jakéhokoliv hvězdného zdroje energie.“

Slapový ohřev může být velmi účinný, jak nám ukazují měsíce jako Europa. Je uzamčena v orbitální rezonanci se dvěma svými sourozenci, sopečným Io a masivním Ganymedem. To ji udržuje na excentrické oběžné dráze a to je klíč ke slapovému ohřevu. Jak se Europa pohybuje střídavě blíže a dále od Jupitera, opakovaně se stlačuje a natahuje. To vytváří tření, které generuje teplo. Myslíme si, že je to dostatek tepla k udržení obrovského oceánu kapalné vody pod jejím ledovým povrchem.

Jak nám tedy ukazuje Europa, i bez energie z hvězdy by exoměsíc mohl generovat vnitřní teplo po miliardy let. Bez ohledu na zdroj tepla, aby zde mohl existovat život a vyvinout se i ve složitější život, musí exoměsíce obíhající kolem FFP toto teplo udržet ve svých atmosférách, stejně jako Země.

Na Zemi chápeme, že čím bohatší je naše atmosféra na uhlík, tím více tepla si uchovává. Země je však ohřívána Sluncem, zatímco exoměsíce nedostávají žádné hvězdné teplo. Předchozí výzkum ukazuje, že atmosféry bohaté na CO2 by mohly udržet exoměsíce dostatečně teplé pro kapalnou vodu až 1,6 miliardy let. Ale v mrazivých podmínkách, kterým jsou exoměsíce vystaveny, by CO2 nakonec kondenzoval a dopadl na povrch. Pokud je 1,6 miliardy let přesné číslo, pak to není dostatek času na rozvoj komplexního života, jak ho chápeme.

Tento výzkum však ukazuje, jak by atmosférické složení mohlo exoměsícům pomáhat stále udržovat teplo, ale ne proto, že by byly bohaté na uhlík. Klíčem je místo toho vodík.

Vědci zjistili, že některé typy atmosfér na exoměsících ohřátých slapovým třením by se mohly vyvinout do atmosfér bohatých na vodík, které by si mohly udržet teplo dostatečně dlouho na to, aby se mohl objevit složitý život. Ačkoliv vodík nezachycuje infračervené záření jako uhlík, za dostatečně vysokého atmosférického tlaku se fyzika mění. Do hry vstupuje mechanismus zvaný absorpce indukovaná srážkami. Za vysokého tlaku jsou molekuly vodíku nuceny přibližovat se k sobě a vytvářejí přechodné komplexy, které mohou zachytit infračervenou energii a zabránit jejímu úniku do vesmíru.

Vědci také zjistili, že absorpce vyvolaná srážkami by mohla zachytit dostatek tepla k udržení kapalné povrchové vody až 4,3 miliardy let, což je velmi blízko současnému stáří Země. Komplexní život na Zemi „explodoval“ během kambrické exploze před něco málo přes 500 miliony let. Pokud by tedy exoměsíc mohl zůstat teplý po dobu 4,3 miliardy let, existuje argument, že by zde mohl vzniknout komplexní život.

V tomto výzkumu hrál ohřev a ochlazování v důsledku slapového tření roli nad rámec udržování kapalné vody. Pro vznik života se musí vytvořit složité organické molekuly a cyklus odpařování/kondenzace vody je mechanismem, který jejich vznik řídí. „Mokrý a suchý cyklus způsobený silným přílivem a odlivem spolu s alkalitou rozpuštěného NH3 by mohl vytvořit příznivé podmínky pro polymeraci RNA a tím podpořit vznik života,“ vysvětlují vědci ve své práci.

V tiskové zprávě hlavní autor Dahlbüdding poukázal na to, že na Zemi, kde je život možný, mohly asteroidy podat pomocnou ruku. „Objevili jsme jasné spojení mezi těmito vzdálenými měsíci a ranou Zemí, kde vysoké koncentrace vodíku v důsledku dopadů asteroidů mohly vytvořit podmínky pro život,“ uvedl v tiskové zprávě. Dopady asteroidů během raného období Země zvaného Hadean dopravily železo, které reagovalo s vodou v oceánu za extrémního tlaku a tepla. Železo oddělilo atomy kyslíku z molekul H2O za vzniku oxidů železa a vodík zůstal v atmosféře. Dahlbüdding netvrdí, že by se stejný mechanismus mohl odehrávat i na exoměsících, protože bez pásu asteroidů jako zdroje by to asi nebylo pravděpodobné. Ukazuje to však, že atmosféry bohaté na vodík mohou hrát roli v případném vzniku života.

Neobjevili jsme zatím žádné potvrzené exoměsíce. Existují pouze lákavé náznaky pro dva z nich: Kepler-1625 b-i a Kepler-1708 b-i.

Tato umělecká ilustrace zobrazuje exoplanetu Kepler-1625 b a její potenciální exoměsíc, Kepler-1625 b-i. Jedná se o prvního kandidáta na exoměsíc, který byl kdy detekován, a pozorování ukazují, že má přibližně stejnou hmotnost jako Neptun, zatímco planeta má několik hmotností Jupitera. Nejedná se o volně putující systém a hvězda je v pozadí.

Pokud jde o exoměsíce obíhající kolem toulavých planet, je nedostatek objevů ještě větší. V současné době neexistují žádné potvrzené potulné planety, pouze několik stovek kandidátů, i když je to trochu nejasné. Takže nalezení exoměsíců kolem toulavých planet je ještě obtížnější.

Věci se změní, až bude vypuštěn vesmírný dalekohled Nancy Grace Roman Space Telescope. Některé odhady uvádějí, že pomocí gravitačního mikročočkování objeví stovky toulavých planet. Je také připraven objevit alespoň několik exoměsíců.

Nancy Grace Roman Space Telescope by měl být schopen u potulných planet detekovat exoměsíce, které jsou zhruba o polovinu hmotnější než Ganymed, největší měsíc ve Sluneční soustavě. Pokud by provedl specializované hledání exoměsíců během tranzitu, některé odhady uvádějí, že by mohl najít asi tucet exoměsíců o velikosti Titanu obíhajících kolem FFP. Je možné, že by Roman Space Telescope mohl objevit celou jejich populaci, i když to je spíše naděje.

Detekce exoměsíců u FFP je jedna věc. Ale i kdybychom to v příštích několika letech dokázali, pochopení jejich atmosfér je pravděpodobně ještě daleko. Bez tohoto zjištění nedokážeme určit jejich obyvatelnost.

„Tyto potenciálně obyvatelné měsíce by mohly být detekovány pomocí různých technik, jako jsou tranzity jejich FFP nebo mikročočkování,“ píší autoři. „Ověření a analýza atmosféry na druhou stranu nemusí být proveditelná žádnými přístroji, které jsou v současnosti v provozu,“ uzavírají vědci.

Zdroj: https://www.universetoday.com/articles/are-rogue-exomoons-the-newest-frontier-in-the-search-for-habitability

autor: František Martinek