Šance pro život na planetách, kroužících kolem malých hvězd

Vědci objevili planetu, která dává naději všem, kdo hledají ve vesmíru život. Jedná se o planetu, která krouží v obyvatelné zóně své hvězdy a ze které uniká velké množství helia. Co všechno se dá z tohoto faktu odvodit?

Mohou si malé planety udržet atmosféru?

Atmosféry kamenných exoplanet nejsou pro vědu důležité jen proto, že by, jako na Zemi, mohly obsahovat kyslík, který by pak dýchaly tamní organismy. Atmosféra totiž kromě toho pomáhá při regulaci klimatu, chrání povrch před ionizujícím zářením a tlak plynu umožňuje dlouhodobou přítomnost kapalné vody.

Plynné obaly už dnes nikoho nepřekvapí u velmi hmotných plynných obrů, ovšem u menších kamenných těles podobných Zemi je celá věc trochu složitější. Naše technologie většinou není schopna detekovat příslušné slabé signály, ze kterých by se dala existence atmosféry odvodit.

Ze Země se takové planety často pozorují špatně hlavně proto, že je planetární záře zastíněna jasem jejich mateřské hvězdy.

To by se teoreticky dalo obejít tím, že by vědci sledovali takové planety, které obíhají kolem poměrně chladných a málo jasných hvězd - červených trpaslíků, takzvaných hvězd typu M, kde je kontrast mezi hvězdou a planetou nižší.

V případě podobných planet ovšem přicházejí jiné problémy. Aby se planeta nacházela v obyvatelné zóně takové hvězdy, musí kroužit v její těsné blízkosti. Červení trpaslíci jsou ovšem často extrémně aktivními hvězdami a produkují vysoce energetické záření, které může atmosféry blízkých planet doslova odfouknout.

Při pozorování menších kamenných planet tak byly většinou objevemy jen pusté světy bez znatelné atmosféry.

LHS 1140

Hvězda LHS 1140, kterou možná budete znát také jako GJ 3053, se nachází v relativní blízkosti. Je vzdálená jen 14,96 parseku od Slunce. Vzhledem k tomu, že 1 parsek odpovídá přibližně 3,26 světelného roku, je tedy tento systém od nás vzdálený 48,77 světelného roku.

V jeho centru leží červený trpaslík, jehož věk přesahuje 3 miliardy roků a který vykazuje nízkou úroveň aktivity. Kolem něj obíhají dvě známé a nejspíš několik zatím neznámých kamenných planet.

Nejzajímavější z nich je exoplaneta LHS 1140b, která se nachází přímo v zóně, kde by na povrchu pevné planety mohla existovat tekutá voda.

Její hmotnost dosahuje 5,6 hmotnosti Země a její poloměr činí 1,73 poloměru naší planety.

Spadá tedy do kategorie tzv. superzemí. Obíhá kolem hvězdy s periodou 24,7 pozemského dne. Dostává od své hvězdy zhruba 42 % množství energie, které my získáváme od Slunce. Její povrchová teplota se odhaduje na 226 kelvinů.

Druhým tělesem v systému je menší exoplaneta LHS 1140c s oběžnou dobou necelé 4 dny. Ta se nachází mnohem blíže ke hvězdě a čelí 5krát silnějšímu ozáření než naše Země. Podmínky pro život jsou tu špatné.

Co víme o planetě LHS 1140b

Vědci zkoumali atmosféru LHS 1140b infračerveným spektrografem. Pozorování trvalo 6,5 hodiny a podařilo se při něm zachytit tranzit obou známých planet přes hvězdný kotouč. Celkem se podařilo nasnímat 70 spekter.

Vědci díky nim zjistili, že se v horních vrstvách atmosféry planety LHS 1140b nachází helium, které způsobuje dodatečnou absorpci určitých vlnových délek.

Vědci odhadují, že atmosféra by tu mohla dosahovat až do 1,5násobku poloměru planety. To by znamenalo, že nalezli znatelný plynný obal, který je ještě mohutnější než atmosféra na Zemi. Je to vlastně logické. Čím těžší je planeta (připomeňme si, že její hmotnost se odhaduje na 5,6násobek hmotnosti Země), tím více plynu si může udržet, protože její gravitace může zadržet i molekuly s vyšší rychlostí.

Vědci pak provedli matematickou analýzu spektrálních dat a zjistili, že pohyb helia vykazuje Dopplerův posun odpovídající rychlosti kolem 2 km/s ve směru k pozorovateli, zatímco šířka spektrálních čar naznačuje vnitřní rychlost samotné atmosféry kolem 24 km/s.

Pro nás laiky je samozřejmě zajímavé, co všechno se dá odhalit z oné trochy světla, které k nám přichází z daleké hvězdy a jejích planet. Vědci například porovnali spektra zachycená těsně před začátkem hlavního tranzitu. I v nich objevili absorpci helia, a usoudili, že se jedná o netradiční ohon atmosféry této planety. Znamená to, že mrak unikajícího helia obíhá po oběžné dráze před samotnou planetou, což se dá vysvětlit interakcí mezi magnetickým polem planety, hvězdným větrem a oběžnou rychlostí tělesa.

U menší a hvězdě bližší planety LHS 1140c žádný podobný signál nalezen nebyl.

Atmosféra LHS 1140b

Z atmosféry planety LHS 1140b tedy odtéká plyn. Jev by měl být způsoben intenzivními dávkami rentgenového a extrémního ultrafialového záření z mateřské hvězdy.

Rychlost ztráty hmotnosti atmosféry se pohybuje v rozmezí od 200 do 400 tun za sekundu.

Teplota tohoto planetárního větru dosahuje extrémních hodnot mezi 5 000 a 6 000 kelvinů.

Srovnání s jinými mechanismy, jako je třeba únik plynu způsobený zbytkovým teplem z planetárního jádra ukázalo, že vnitřní zdroje tepla by dokázaly vyvolat jen malou část pozorované ztráty plynu. Hlavním viníkem je tedy nejspíš výše zmiňované vysoce energetické záření hvězdy.

Chemie atmosféry

Vědci se věnovali také chemickému složení unikajícího plynu.

Poměr atomárního vodíku k heliu v horních vrstvách dosahuje extrémně nízké hodnoty - přibližně 1:1000. Pokud by byla horní atmosféra bohatá na vodík, účinně by odstínila část ultrafialového záření, což by zabránilo ionizaci helia a znemožnilo vznik metastabilního stavu této částice, který je zodpovědný za pozorovanou spektrální čáru ve spektrech.

To znamená, že horní obal planety je tvořen prakticky jen heliem a vodíku je v něm velmi málo. I to je vlastně logické. Lehký vodík totiž z atmosféry unikl už v raných fázích existence systému, takže do dnešní doby tu zbylo jen těžší helium.

Vzhledem k vypočtené rychlosti úniku plynu je kinetická energie unikajícího helia příliš nízká na to, aby s sebou strhávala těžší prvky s atomovou hmotností rovnou nebo vyšší než 9 atomových hmotnostních jednotek.

To pro změnu znamená, že prvky jako kyslík, uhlík nebo dusík nedosahují únikové rychlosti a zůstávají uvězněny v nižších vrstvách atmosféry, která se tak díky tomuto jevu v průběhu miliard roků těmito těžšími chemickými prvky obohacuje.

Chemie planety

Znalosti o atmosféře pomohly vědcům také v odhadu složení planety. Její objemová hustota je trochu nižší, než jaká by musela být u čistě kamenného světa. To se dříve vysvětlovalo buď přítomností rozsáhlé vodíkové atmosféry, nebo značným podílem vody. Ten byl odhadnut na 9 až 19 % celkové hmotnosti planety.

Objev heliového větru s nízkým obsahem vodíku podporuje spíše druhou variantu.

Vzhledem k nízké teplotě dochází v atmosféře planety k efektu takzvané chladné pasti. Těkavé látky s vyšším bodem varu, jako je právě vodní pára, tu kondenzují v podobě srážek. Díky tomu je voda chráněna před fotodisociací v horních vrstvách atmosféry a nemůže se rozkládat a unikat do vesmíru. To zvyšuje pravděpodobnost, že by se na této planetě pod heliovým závojem mohl skrývat hluboký oceán.

Nová data a další překvapení

Planeta tedy vypadala při prvním průzkumu opravdu nadějně.

Překvapením bylo opakované pozorování systému v roce 2025. Analýza spektra pořízeného o rok později totiž nenašla žádné stopy po absorpci helia.

Vědci nejdříve vyloučili chybu v metodice zpracování dat nezávislým přepočtem pomocí jiného softwaru. Jediné logické vysvětlení nabízí teorie o časové proměnlivosti samotného procesu úniku helia z atmosféry planety.

Simulace ukazují, že rozdíly se dají vysvětlit poklesem množství rentgenového záření hvězdy nebo mírným ochlazení horní atmosféry. Podobné cykly aktivity a kolísání záření jsou běžně pozorovány u mnoha aktivních i klidných hvězd typu M. Zdá se tedy, že únik helia z atmosféry planety nemusí být nutně trvalý, a podléhá aktuálnímu hvězdnému počasí.

Naděje pro existenci života

U červených trpaslíků tedy mohou existovat planety se znatelnou atmosférou, na kterých by mohla existovat tekutá voda.

Menší planeta označená jako LHS 1140c, která nevykazuje známky přítomnosti plynného obalu, se nachází v horké zóně systému. Je jen logické, že si planetární atmosféru udržet nedokázala. Zato hmotnější planeta LHS 1140b si navzdory silnému planetárnímu větru a proměnlivému úniku helia dokázala zachovat podstatnou část svých plynů, takže by mohla na svém povrchu mít tekutou vodu nebo dokonce rozsáhlý oceán. Můžeme se těšit na další výsledky bádání, vědci se tomuto vzdálenému světu budou jistě věnovat i v budoucnosti.

^{Zdroje: Collin Cherubim et al., ,Helium escaping from the atmosphere of a nearby rocky exoplanet orbiting in a habitable zone.Science0,eaea9708DOI:10.1126/science.aea9708, Odkaz}