De bedste kvarterer til at starte et liv i galaksen | Quanta Magasinet

For at huse liv, i det mindste som vi kender det, skal en planet kredse om en stjerne, der er relativt rolig og stabil. Planetens kredsløb skal også være næsten cirkulær, så planeten oplever lignende varme hele året. Og det må ikke være for varmt, for at overfladevand ikke skal koge af; ikke for koldt, for at vandet ikke forbliver låst i is; men lige præcis, så floder og have forbliver flydende.

Disse karakteristika definerer en "beboelig zone" omkring stjerner - fristende steder at målrette mod i jagten på livsvenlige exoplaneter. Men videnskabsmænd udsætter i stigende grad hele galaksen for lignende undersøgelser. På samme måde som kontinenter med særskilte biosfærer er vært for særskilt flora og fauna, kan forskellige områder af galaksen huse forskellige populationer af stjerner og planeter. Mælkevejens turbulente historie betyder, at ikke alle hjørner af galaksen er ens, og at kun nogle galaktiske områder måske er helt rigtige til at lave planeter, vi tror kunne være beboede.

Mens exoplanetforskere finjusterer deres ideer om, hvor de skal lede efter fremmed liv, overvejer de nu oprindelsen af ​​en stjerne og dens nabolag, sagde Jesper Nielsen, astronom ved Københavns Universitet. Nye simuleringer, sammen med observationer fra satellitter, der jager efter planeter og overvåger millioner af stjerner, tegner et billede af, hvordan forskellige galaktiske kvarterer - og måske endda forskellige galakser - danner planeter forskelligt.

"Det kan igen hjælpe os til bedre at forstå, hvor vi skal pege vores teleskoper," sagde Nielsen.

Galaktisk geografi

I dag Mælkevejen har en kompliceret struktur. Dets centrale supermassive sorte hul er omgivet af "bulen", en tyk masse stjerner, der indeholder nogle af galaksens mest ældre borgere. Udbulningen er omsluttet af den "tynde skive", den struktur, du kan se sno sig over hovedet på en klar, mørk nat. De fleste af stjernerne, inklusive solen, findes i den tynde skives spiralformede arme, som er omfavnet af en bredere "tyk skive", der indeholder ældre stjerner. Og en diffus, for det meste sfærisk glorie af mørkt stof, varm gas og nogle stjerner omslutter hele arkitekturen.

I mindst to årtier har forskere spekuleret på, om beboelige forhold varierer mellem disse strukturer. Den første undersøgelse af galaktisk beboelighed dateres til 2004, hvor de australske videnskabsmænd Charles Lineweaver, Yeshe Fenner og Brad Gibson modellerede historien af Mælkevejen og brugte den til at studere, hvor beboelige zoner kan findes. De ønskede at vide, hvilke værtsstjerner der havde nok tunge grundstoffer (som kulstof og jern) til at danne klippeplaneter, hvilke stjerner der havde eksisteret længe nok til at komplekst liv kunne udvikle sig, og hvilke stjerner (og eventuelle kredsende planeter) var sikre fra nabosupernovaer. De endte med at definere en "galaktisk beboelig zone", en doughnut-formet region med hullet centreret i centrum af galaksen. Regionens indre grænse starter omkring 22,000 lysår fra det galaktiske centrum, og dens ydre grænse ender omkring 29,000 lysår ude.

I de to årtier siden har astronomer forsøgt mere præcist at definere de variabler, der styrer både stjernernes og planetariske udvikling i galaksen, sagde Kevin Schlaufman, en astronom ved Johns Hopkins University. For eksempel, sagde han, er planeter født i støvede skiver, der omgiver nyfødte stjerner, og kort sagt, hvis "en protoplanetarisk skive har en masse materiale, der kan lave sten, så vil den lave flere planeter."

Nogle områder af galaksen kan være tættere frøet med disse planetskabende ingredienser end andre, og forskere arbejder nu på at forstå, hvor meget galaktiske kvarterer påvirker de planeter, de har.

Here Be Exoplanets

Blandt de omkring 4,000 kendte exoplaneter er der indtil videre få regler for, hvilke typer planeter der lever hvor; ingen stjernesystemer ligner vores egen, og de fleste af dem gør ikke engang ligner hinanden meget.

Nielsen og hans kolleger ville vide, om planeter kunne dannes anderledes i Mælkevejens tykke skive, tynde skive og glorie. Generelt indeholder tyndskivestjerner flere tunge grundstoffer end tykskivestjerner, hvilket betyder, at de voksede ud af skyer, der måske også indeholder flere planetskabende ingredienser. Ved hjælp af data fra Den Europæiske Rumorganisations stjernesporende Gaia-satellit adskilte Nielsen og hans kolleger først stjerner baseret på deres overflod af visse grundstoffer. Derefter simulerede de planetdannelse blandt disse befolkninger.

Deres simuleringer, som de udgav i oktober, viste, at gasgigantplaneter og superjord - den mest almindelige type exoplanet - voksede mere rigeligt i den tynde skive, sandsynligvis fordi (som forventet) disse stjerner har mere byggemateriale at arbejde med. De fandt også ud af, at yngre stjerner med flere tunge grundstoffer havde en tendens til at være vært for flere planeter generelt, og at gigantiske planeter var mere almindelige end mindre planeter. Omvendt var gasgiganter næsten ikke-eksisterende i den tykke skive og glorie.

Schlaufman, som ikke var involveret i arbejdet, sagde, at resultaterne giver mening. Sammensætningen af ​​støvet og gassen, som stjerner er født af, er afgørende for, om stjerner vil bygge planeter. Og selvom denne sammensætning kan variere med placering, argumenterede han for, at selvom placeringen kan danne grundlag for en stjernes verdensopbygning, kan det ikke bestemme det endelige resultat.

Nielsens simuleringer er teoretiske, men nogle nyere observationer understøtter hans resultater.

I juni fandt en undersøgelse, der brugte data fra NASAs planetjagt Kepler-rumteleskop, at stjerner i Mælkevejens tynde skive har flere planeter, især super-Jorde og sub-Neptun-størrelse verdener, end stjerner i den tykke skive. En forklaring, sagde Jessie Christiansen, en exoplanet videnskabsmand ved California Institute of Technology og en medforfatter af undersøgelsen, er, at gamle, tykdiske stjerner kan være blevet født, da planetdannende ingredienser var sparsomme, før generationer af døende stjerner såede kosmos med bygningen blokke af verdener. Eller måske blev de tykke stjerner født i tætte miljøer med høj stråling, hvor turbulens forhindrer babyplaneter i overhovedet at samles.

Planeter kan klare sig bedre i åbne områder, som forstæderne, i stedet for tætbefolkede "byområder", sagde Christiansen. Vores sol er i en sådan tyndt befolket forstadszone.

Andre Jorder

Christiansens undersøgelser og Nielsens simuleringer er blandt de første til at studere planetens forekomst som en funktion af galaktisk naboskab; Vedant Chandra, en astronom ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, forbereder sig på at gå et skridt videre og undersøge, om planetdannelsen kunne have været anderledes i nogle af de galakser, som Mælkevejen forbrugte, mens den voksede. I fremtiden håber Nielsen, at finjusterede undersøgelser og instrumenter såsom NASAs kommende Nancy Grace Roman Space Telescope vil hjælpe os med at forstå planetdannelsen på samme måde som demografer forstår befolkninger. Kan vi forudsige, hvilke typer stjerner der vil være vært for hvilke typer planeter? Er der større sandsynlighed for, at jorden dannes i visse kvarterer? Og hvis vi ved, hvor vi skal lede, vil vi så finde noget, der ser tilbage på os?

Vi ved, at vi lever i en beboelig zone, i en verden, der kredser om en stille stjerne. Men hvordan livet startede på Jorden, og hvornår og hvorfor, er det største spørgsmål inden for ethvert videnskabsfelt. Måske burde videnskabsmænd også tænke på vores stjernes oprindelseshistorie, og endda historien om de stjernernes forfædre, der formede vores hjørne af Mælkevejen for milliarder af år siden.

"Var livet på Jorden uundgåeligt? Var det specielt?” spurgte Chandra. "Først når du begynder at få dette globale billede ... kan du begynde at besvare sådanne spørgsmål."