Leven vindt een weg (zelfs op M-dwergen?)

Titel: The High-Energy Radiation Environment Around a 10 Gyr M Dwarf: Habitable at Last?

Authors: Kevin France, Girish Duvvuri, Hilary Egan, et al.

Instelling van de eerste auteur: University of Colorado, Boulder

Status: Geplaatst op arXiv (open toegang); Geaccepteerd in AJ (gesloten toegang)

Er zijn heel veel sterren in het heelal, en een groot deel daarvan zijn M-dwergen. Dit zijn de kleinste en roodste sterren, de laatste in de rij van spectraaltypen (O, B, A, F, G, K, en niet te vergeten: M). Bonus: omdat ze zo klein en zwak zijn, is het eigenlijk gemakkelijker om er kleinere, aardse planeten omheen te vinden! Aangezien ze zo talrijk zijn en we een goede kans hebben om in hun bewoonbare zones te kijken, is het logisch dat we willen nadenken over hoe het leven op een planeet rond een M-dwerg eruit zou zien.

Maar, er is een addertje onder het gras. M-dwergen staan ook bekend als zeer actieve sterren, die veel ultraviolet licht en röntgenstraling afgeven, wat slecht nieuws is voor biologisch leven. Deze stellaire activiteit is zo sterk dat ze de atmosfeer doet ontsnappen, waardoor deze rotsachtige planeten worden ontdaan van hun atmosfeer, die cruciaal is voor bewoonbaarheid. Extreem ultraviolet licht (bekend als EUV of XUV) is bijzonder goed in het strippen van een atmosfeer, en jonge M-dwergen geven hiervan meer af omdat ze langer in hun pre-main sequence evolutiefase zitten. Het begin van het leven van deze sterren is dus extreem, waardoor de kans op bewoonbaarheid van een planeet verpest wordt. Hoe zit het met oudere M-dwergen? Planeten rond M-dwergen kunnen hun atmosfeer overdoen door een “secundaire atmosfeer” op te bouwen, die ontstaat door gassen die vrijkomen bij inslagen of vulkaanuitbarstingen. Wordt de atmosfeer zachter naarmate de planeten ouder worden, en wordt al die straling minder, waardoor het mogelijk wordt dat deze secundaire atmosfeer lang genoeg blijft bestaan om leven te laten ontstaan?

Het artikel van vandaag probeert deze vragen te beantwoorden door een nabije oude M-dwerg te observeren op UV- en röntgenactiviteit, en vervolgens te berekenen wat er zou gebeuren met de atmosfeer van een aardachtige planeet in zijn bewoonbare zone.

De zoektocht naar de atmosfeerdoders

De auteurs gebruikten de Hubble Space Telescope (voor UV-waarnemingen) en het Chandra X-ray Observatory om Barnard’s Star, een nabije oude M ster, te observeren. Barnard’s Star staat slechts 6 lichtjaar van ons vandaan en is daarmee een van onze naaste buren in de ruimte. Hij is slechts 16% zo groot als de zon, maar ongeveer twee keer zo oud. Het is ook bekend dat hij een koude (rond -300°F!) super-Aarde herbergt, ongeveer 3 keer zo groot als onze planeet, ontdekt met de radiale snelheidsmethode.

De gemiddelde UV-lichtkracht van Barnard’s ster is een van de laagste die ooit voor een M-dwerg is gemeten, maar hij zendt nog steeds meer XUV uit dan de zon, zoals te zien is in figuur 1. Ze hebben ook een zwakke (maar niet nul) röntgenflux gemeten, ook een van de laagste die ooit voor een M-dwerg is waargenomen. De ster van Barnard vlamt nog steeds ongeveer even vaak op als jongere M-dwergen, maar de vlammen op de oudere ster zijn minder intens (maar nog steeds intenser dan een ster als onze zon!). Een andere voor de atmosfeer schadelijke gebeurtenis is de CME, of “coronal mass ejection”, waarbij hoogenergetische deeltjes uit de ster vrijkomen; de auteurs ontdekten dat deze gebeurtenissen ongeveer dezelfde energie hebben als zonnevlammen, maar veel vaker voorkomen. Er is echter een voorbehoud: M-dwergen hebben volgens de theorie sterkere magnetische velden, die CME’s ervan kunnen weerhouden ver van de ster te reizen en planeten te treffen, dus er is een beetje onzekerheid over het hier besproken effect van CME’s op een atmosfeer.

Het verdict over de atmosfeer

Nu we iets meer weten over de omgeving rond een oude M-dwerg, wat zou er dan gebeuren met de atmosfeer van een planeet? De auteurs maakten een schatting van de atmosferische ontsnapping van een hypothetische aardachtige planeet in de bewoonbare zone van de Ster van Barnard die met deze waargenomen hoogenergetische straling in aanraking komt.

Om er zeker van te zijn dat hun modellen kloppen, testten zij ze eerst op het zon/aarde-systeem om te zien of ze konden reproduceren wat wij in ons eigen zonnestelsel waarnemen. Daarna keken ze naar de thermische en ionische ontsnapping van onze hypothetische planeet. Thermische ontsnapping gebeurt wanneer deeltjes heet genoeg zijn, en dus snel genoeg bewegen, om de ontsnappingssnelheid van de planeet te overschrijden. Rond de ster van Barnard zou onze hypothetische planeet zijn atmosfeer in ongeveer 11 miljoen jaar verliezen. Je kunt het ook vergelijken met een verlies van 87 keer de aardatmosfeer in een miljard jaar (ter informatie: de aarde is meer dan 4 miljard jaar oud!)

Ze hebben ook gekeken naar de ontsnapping van ionen, wat eigenlijk de belangrijkste manier is waarop de aarde haar atmosfeer verliest. Dit is iets gecompliceerder, omdat hiervoor een plasma-interactiemodel nodig is. Hun simulaties toonden aan dat de ster van Barnard in een normale, rustige toestand (geen opvlamming) de ontsnapping van de atmosfeer slechts in geringe mate doet toenemen in vergelijking met de aarde. Wanneer er echter een fakkel plaatsvindt, is er veel meer atmosfeerverlies, zoals te zien is in figuur 2. Opgemerkt moet worden dat de hypothetische planeet hier niet gemagnetiseerd is; magnetisme zou een verschil kunnen maken, net als op aarde, door sommige van deze hoogenergetische deeltjes tegen te houden. De grote conclusie is echter dat het verlies van atmosfeer rond oude M-dwergen wordt gedomineerd door de fakkelperioden.

Kan leven een weg vinden?

Flares zouden op een andere manier een positief effect op leven kunnen hebben. Ander werk heeft aangetoond dat bijna-UV (NUV) fotonen de vorming van voorlopermoleculen van RNA kunnen stimuleren; Barnard’s ster heeft iets minder NUV-straling dan hiervoor nodig is in zijn stille toestand, maar het affakkelen zou genoeg kunnen zijn om deze prebiotische paden te ondersteunen. En nu we weten dat vlammen een probleem kunnen zijn om een atmosfeer te behouden, willen we misschien onze zoektocht naar bewoonbare planeten verder van de ster af uitbreiden; er is een mogelijkheid van een “uitgebreide bewoonbare zone” verder van de ster waar de straling minder extreem is!

Hoewel ze minder actief zijn, heeft dit artikel laten zien dat zelfs oude M-dwergen veel atmosfeer kunnen verliezen, vooral door vlammen. We moeten nog meer te weten komen over de fakkelcycli, want dat lijkt een belangrijke parameter te zijn voor het vasthouden van de atmosfeer en de bewoonbaarheid van M-dwergen!