CsillagászatSzuperlakható-e a szuper-Föld? – Földünk nagyobb tömegű bolygótestvérei és az élet

Több tanulmány is foglalkozik annak lehetőségével, hogy a Földünknél valamivel nagyobb tömegű kőzetbolygók adott esetben akár még kedvezőbb feltételeket nyújthatnak az élet számára, mint a saját bolygónkéhoz hasonló méretű és tömegű planéták. Az élethez a földinél is jobb feltételeket kínáló bolygók (vagy exoholdak) a „szuperlakható”, vagy „szuperhabitábilis” világok elnevezéssel szerepelnek az asztrobiológiai tárgyú szakirodalomban.

A fogalom megalkotói, René Heller és John Armstrong [1] által felsorolt kritériumok közül néhány valóban elengedhetetlenül szükséges lehet egy szuperhabitábilis állapothoz. Így például hosszú időskálán át működő lemeztektonikai folyamatok és szén-szilikát ciklus egy, a Földnél kissé nagyobb tömegű „sziklás bolygón”. Ugyanígy fontos lehet a nagyobb területű bolygófelszín, a vastagabb légkör megtartását eredményező erősebb gravitáció, valamint mágneses mező is.

Jelenleg egyetlen bioszférát ismerünk, a földit. Az itteni élet lehetőségeinek tanulmányozása során szerzett tudásunk jelenti a kiindulási alapot a földönkívüli élet keresésére és lehetőségeinek vizsgálatára. Megalapozott módon többek között ezért keressük az összetett életformákat hordozó világok utáni keresés során elsősorban a „föld-szerű” jelleget. Ezzel az otthonunkhoz hasonló tömegű, méretű és felépítésű, illetve nagy valószínűség szerint a nála meghatározott mértékkel nagyobb kőzetbolygók bírhatnak. Jelen cikkben azt tárgyaljuk, hogy a sajátunkénál nagyobb tömegű kőzetbolygók feltehetően mely jellemzői lehetnek akár még a földinél is kedvezőbbek az általunk ismert élet kialakulásához és hosszú távú fennmaradásához.

A szuper-Földek családja

A Világegyetem megismeréséhez kapcsolódó kutatások terén világszerte az érdeklődés középpontjában áll a más csillagok körül keringő bolygók (exobolygók) keresése, felfedezésük története immár három évtizedes múltra tekint vissza. Ennek során a planetáris tömegskála szinte minden tartományában találtunk már bolygókat. A Jupiternél több mint tízszer nagyobb tömegű gázóriásokat éppúgy ismerünk, mint a Holdhoz hasonló méretű exoplanétát. A bolygótranzitok keresésére fejlesztett Kepler-űrtávcső mérései során fény derült arra is, hogy az 1 és 10 földtömeg közé, azaz az úgynevezett szuper-Földek tömegkategóriájába eső planéták képviselik a leggyakoribb bolygótípust galaxisunkban. Ezek a kutatások szerint változatos felépítésűek és összetételűek lehetnek [2], de jelentős hányaduk nagy valószínűséggel „valódi” Föld-típusú bolygó. Utóbbiak közül pedig azok lehetnek az igazán érdekesek, amelyek stabil pályán a csillaguk lakhatósági zónájában, vagyis abban a tartományban keringenek, ahol a víz nagy tömegben, hosszú ideig folyékony állapotban létezhet a bolygófelszínen (a többi szükséges feltétel teljesülése esetén). Ugyanakkor egy életet hordozó világnak (bolygónak vagy holdnak) nem feltétlenül szükséges a lakható zónában tartózkodnia, illetve egy, a zónában található megfelelő tömegű planéta sem szükségszerű, hogy életet hordozó világ legyen (1. ábra). Egy szén alapú, a földihez hasonló szerveződésű fejlett bioszféra kifejlődése esetében azonban mindenképpen az egyik legfontosabb feltétel, hogy az életet hordozó bolygó elegendően hosszú ideig a csillaga lakható zónájában keringjen. Fokozottan igaz lehet ez egy szuperhabitábilis állapot eléréséhez.

1. ábra. A Föld és egy stagnáló tektonikájú, 6 földtömegű szuper-Föld szerkezeti felépítésének és geodinamikájának sematikus ábrája.

A Naprendszerben nincs szuper-Föld. Mivel a gázóriások nem akadályozzák a nagy tömegű kőzetbolygók keletkezését a belső bolygórendszerben, így a vizsgálatok szerint azok jó eséllyel kialakulhatnak a saját bolygórendszerünkben is megtalálható, Jupiter-szerű bolygót tartalmazó rendszerekben [3]. A téma szempontjából ez azért érdekes, mert a gázóriások valószínűleg fontos szerepet játszanak az élet kialakulásában és fejlődésében azzal, hogy gravitációs hatásukkal az élethez szükséges anyagokat hordozó üstökösöket a belső bolygók felé terelik [4].

Jelenlegi ismereteink szerint egy összetett bioszféra kialakulásához egymagában az nem elegendő ha egy megfelelő méretű kőzetbolygó évmilliárdokon keresztül csillaga lakhatósági zónájában kering. Ahhoz feltételek komplex rendszerének kell folyamatosan teljesülnie. A csillagászati tényezők mellett szükségesek a bolygótestnek az élet kifejlődését és fennmaradását elősegítő fizikai, kémiai, geológiai jellemzői, amelyek közül a legfontosabbak közé tartozik a tömeg, a méret, a szerkezeti felépítés, az ásványtani jellemzők, a folyamatok, valamint a légkör tulajdonságai. Ami pedig a földinél is kedvezőbb feltételeket illeti, nyilvánvalóan nem ismert sok olyan hatás és körülmény, amely a szuperlakhatóság feltételrendszerébe tartozhat. Érdemes tárgyalni azonban néhány olyan faktort, amelyek a szuper-Földek esetében akár még a földinél is kedvezőbb módon befolyásolhatják az élet általunk ismert formája kialakulásának és hosszú távú fennmaradásának esélyeit.

Lemeztektonikával vagy anélkül?

Keletkezésüket követően a Föld-típusú bolygótestek tömegük függvényében nagyon eltérő evolúciós utakon fejlődhetnek tovább. Egy kőzetbolygó hőtörténeti evolúciója nagymértékben függ a belső geodinamikájától, a konvekció módjától. Ez utóbbi történhet lemeztektonikai módban, epizodikus módban, valamint stagnáló módban. Utóbbi jellemző általában a Naprendszer a szilárd felszínű égitestjeire. A Mars tömege például alig valamivel több, mint egytizede a Földének. Ha működött is rajta valamiféle kezdetleges lemeztektonika az korán megrekedt, ugyanis a kisebb tömeg miatt a bolygótest belseje gyorsabban hűlt, a lemeztektonika hajtóerőinek intenzitása idő előtt jóval a kritikus szint alá csökkent. A litoszféra kivastagodott, s a Mars hőtörténeti fejlődése stagnáló konvekciós módba váltott, úgynevezett egylemezű bolygóvá vált. Ezzel szemben Föld jóval lassabban hűl, fejlődése jelen állapotában az aktív tektonikai módban van, ami által soklemezű bolygó. A Mars már hosszú ideje egylemezű bolygó lehetett, amikor a Föld egy korábbi konvekciós módból körülbelül 2,7 milliárd éve a globális mobil tektonikájú fejlődési fázisba lépett.

Az alacsony hatásfokú konvektív hőtranszport következtében a köpeny hőtörténeti fejlődése az aktív tektonikai fázishoz képest eltérő fejlődési utat jár be. A litoszféra kivastagodhat, a vastag litoszféra pedig nehezíti a lemezek meghajlását és alábukását, kifejlődhet a stagnáló tektonika és konvekciós mód (2. ábra). A stagnáló tektonikájú állapot szigeteli a bolygóbelsőt, akadályozza a bolygótest lehűlését, vlamint a mágneses tér generálódását. Elősegíti a víz elszökését a világűrbe, valamint túl forróvá és szárazzá teszi a felszínt az élet számára [5].

2. ábra. A Föld és egy hozzá hasonló felépítésű, 2 földtömegű szuper-Föld sematikus szerkezeti ábrája. A földköpenyhez hasonló ásványtani összetételű, kétszer nagyobb tömegű bolygónak akár erősebb mágneses tere is generálódhat, s aktív lemeztektonika is működhet rajta. Légköre a földinél vastagabb, ugyanakkor valamivel vékonyabb is lehet, de utóbbi esetben akkor sűrűbb.

A köpenyből történő kigázosodás mértéke meghatározó jelentőségű a bolygólégkörök kialakulása és fejlődése szempontjából. Dorn C. és munkatársai modellszámításai szerint a stagnáló tektonikájú kőzetbolygók összetétele és szerkezeti felépítése másodlagos befolyással bír a kigázosodás mértékének alakulásában a tömeghez, a termális fejlődési állapotukhoz képest. Azt találták továbbá, hogy a kigázosodás a 2-3 földtömegű bolygók esetében a leghatékonyabb, az ennél nehezebb bolygóknál pedig a folyamat sokkal kevésbé hatékony [6]. Valószínű, hogy az élet megfelelő körülmények között lemeztektonika hiányában is kialakulhat, hiszen az már több, mint 3 milliárd éve a kezdetben stagnáló tektonikájú Földön is megjelent. Magasabb szintre azonban feltehetően már csak az aktív tektonika időszakában fejlődhet, hiszen Földünkön például a lemeztektonika vezérli a szén ciklust, amely segít szabályozni a bolygó átlaghőmérsékletét, valamint fontos szerepe van a bioszféra működésében.

A szuper-Földek belső dinamikáját leíró modellek tekintélyes része a földinél is kedvezőbb feltételeket jósol a lemeztektonika számára. Szerzőik érvelése szerint a bolygótömeg növekedésével a magasabb belső hőmérséklet intenzívebb geodinamikát eredményez, amelynek hatására nő a nyírófeszültség. Csökken a litoszféra vastagsága, e faktor csökkenése növeli a lemezgyengeséget, ez pedig csökkenti a lemezek nyírófeszültséggel szembeni ellenállását. Mindezek együttesen segítik a szubdukció megvalósulását. Egyes korábbi modellek azonban nem vesznek figyelembe néhány olyan hatást, amelyek a növekvő bolygótömeggel párhuzamosan már kevésbé hatékony köpenydinamikát és vastagodó litoszférát eredményezhetnek, ami egyebek mellett gátolhatja a lemezek alábukását.

Kritikus bolygótömeg, optimális magméret, kedvező ásványi összetétel

A nagyobb bolygótömeg nem minden esetben jelenthet aktív konvekciós módot, mivel a hatékony köpenykonvekcióhoz több feltétel együttes teljesülése is szükséges. A lemeztektonika hajtómotorját jelentő konvekció működését ugyanis például ugyanúgy befolyásolhatja a bolygótest kora, vagy éppen a hőtermelést biztosító radioaktív elemek mennyisége, mint a köpeny ásványi összetétele. A konvekció teljesülésére a legújabb kutatások szerint az úgynevezett adiabatikus kompresszió is jelentős hatással bír, amelynek alakulása a Rayleigh-szám (a konvektív hőterjedést jellemző mennyiség) értéke mellett nagymértékben függ a köpeny legalsó és legfelső zónái közötti viszkozitás-különbségtől. A tömeg növekedésével párhuzamosan a köpenyen belül nő a viszkozitás kontraszt, ezzel együtt pedig az adiabatikus kompressziónak a konvekciót gátoló hatása is.

Az élet hordozásához a köpenyanyag tulajdonságai mellett fontos tényező a szerkezeti felépítés. A mágneses teret generáló dinamóhatás létrejöttéhez a fémes mag nem lehet túl kicsi, ugyanakkor túl nagy sem. Utóbbi esetben annak hűlése túl lassan megy végbe, a dinamó optimális működéséhez szükséges belső mag megszilárdulásához, valamint a folyékony külső magban a konvekció felerősödéséhez. A nagy magméret másrészt amiatt sem előnyös, mert csökkenti a köpenyanyag teljes bolygótömeghez viszonyított arányát, ami többek között a belső hőtermelést biztosító radioaktív elemek elegendő mennyisége miatt fontos. Mindezek mellett a teljes tömeghez viszonyított nagyméretű fémes mag növeli a bolygó átlagsűrűségét és nagyobb felszíni gravitációt eredményez. A túlságosan kicsi magméret pedig növeli a köpenyben a viszkozitás kontrasztot, ami drasztikus mértékben befolyásolhatja a konvekció működését. A teljes bolygótömeghez számítva a komplex élet szempontjából leginkább optimális a 0,25-0,4 tömegarányú [8] fémes mag lehet. (Földünk esetében ez az érték: 0,3259, vagyis földtömeg 32,59 százaléka.)

Az ásványi összetétel változása azonban módosíthatja a köpenyanyag termoelasztikus tulajdonságait, a Rayleigh-számot meghatározó paramétereket, így például a viszkozitást is, s ezáltal akár szignifikáns módon befolyásolhatja a konvekció teljesülését meghatározó faktorokat, az adiabatikus kompresszió mértékét.

3. ábra. Szuper-Föld alaptípusok a csillagtól való távolság és a víztartalom függvényében. A lakható zónában is keringhet élet hordozására alkalmatlan bolygó. Ugyanakkor hosszú ideig tartózkodhat a zónában akár a földinél is kedvezőbb feltételeket teremtő (szuperlakható) világ, amely jelleg a zóna közepén alakulhat ki a leginkább.

A C/O és az Mg/Si arányok határozzák meg döntően a keletkező bolygók ásványtani felépítését. 1-nél nagyobb C/O arány esetén a magas oxigéntartalmú ásványokkal szemben a szén alapú ásványok (főként karbidok) fognak dominálni a planetáris kompozícióban. Az Mg/Si arány pedig azért fontos, mert ez határozza meg, hogy adott oxigénben gazdag ásványtípusok, szilikátok, oxidok milyen arányban vesznek részt a bolygótestek köpenyének és kérgének felépítésében. Vizsgálatok alapján a Nap-típusú csillagok körüli bolygórendszerekben a C/O arányt uralkodóan 0,8 alatti értékek jellemzik, az Mg/Si arány pedig legtöbb esetben 1 és 2 közötti [7].

Magasabb Mg/Si aránynál például nagyobb az alsó köpenyben a ferroperiklász [(Mg, Fe) O] aránya, amelynek megfelelő elemösszetétele azt eredményezi, hogy kisebb lesz a köpenyanyag viszkozitása. Ennek következtében meghatározott mértékben nagyobb bolygótömeg esetén is hatékonyabb lehet a belső dinamika és a lemeztektonika amiatt, hogy a kisebb viszkozitás kontraszt adott esetben csökkentheti az adiabatikus kompresszió konvekciót gátoló hatását. Így létezhet az Mg/Si arány egy olyan kedvező tartománya, amely adott planetáris tömeg esetén segítheti a szuper-Földeken az élet hosszú távú fejlődését [8], így az akár egyike lehet a szuperlakhatóság feltételeinek. Az új vizsgálatok türkében az exo-kőzetbolygók jelentős része nem képes biztosítani a feltételeket a lemeztektonika hosszú ideig történő fenntartásához, ráadásul a lemeztektonika csak egy fázis a kőzetbolygók evolúciójában [9]. Ezért fontosak fokozottan a szuperlakhatóság kritériumainak tárgyalásánál azok a faktorok, amelyek elősegítik a lemeztektonika hatékony működését.

Szuperhabitábilis világok

Lakható zónában keringő óceánbolygók egész bolygófelszínt beborító mély óceánjainak felső rétegeiben is létezhet különleges élővilág. Azonban egy földi típusú komplex bioszféra kifejlődéséhez, nem is beszélve a szuperlakhatóságról, minden bizonnyal „földszerű jelleg” szükséges. Ez többek között azt jelenti, hogy óceánok és kontinensek egyaránt borítják a felszínt, amelynek topográfiai változatossága a feltételrendszer egyik fontos eleme.

Két-háromszoros földtömegű, habitábilis bolygókon a földinél nagyobb felszíni gravitáció mellett nagyobb lehet a sekély tavak és óceánok aránya, kevesebb a sivatag a szárazföldeken. Inkább több, kisebb felületű víztest lehet a felszínen jellemző, mint egy nagy óceán. A nagyobb kiterjedésű sekély vizek egyúttal pedig nagyobb biodiverzitást is jelenthetnek. A sűrűbb légkörben a földinél intenzívebb az erózió hatása, a nehézségi gyorsulás számottevően nagyobb, a szilárd felszín laposabb topográfiájú [10].

A még nagyobb tömegű szuper-Földeken az erősebb gravitáció és a nagyobb felszíni légköri nyomás már nem előnyös a viszonylag nagyméretű életformákat is magában foglaló, összetett bioszféra kifejlődése szempontjából. Így a körülbelül 3 földtömegnél nagyobb életre alkalmas sziklás bolygókon a környezeti feltételek már inkább az egyszerűbb élő szervezeteknek, a mikrobiális életformáknak kedvezhetnek. Egyes ennél kisebb tömegű föld-szerű exobolygókon az óceánban zajló globális vízkeringési mintázatok kedvezőbbé tehetik a feltételeket az élet számára, mint másokon. Az intenzívebb tápanyagdús feláramlások nagyobb bioaktivitást eredményeznek, amely által egy lakható zónában keringő Föld-jellegű planétán az óceáni környezet kedvezőbb is lehet, mint Földünk esetében. A Chicago-i Egyetemen dolgozó Stephanie Olson és kollégái modellszámításai szerint a magasabb sűrűségű légkör, a hosszabb tengely körüli forgásidő, valamint a kontinensek jelenléte kedvező hatással van a vízfeláramlásokra [11]. A nagyobb légköri sűrűség valószínűsége nő a bolygótömeggel, emellett a kontinensek és óceáni-medencék kialakulása a planéta aktív tektonikai fejlődési fázisához kapcsolódik, amely jó eséllyel tarthat évmilliárdokig a Földnél kissé nagyobb tömegű, megfelelő adottságú bolygókon is.

4. ábra. K-színképtípusú csillag körül keringő szuperlakható szuper-Föld szárazföldjein vörös színű lehet a vegetáció színe (Forrás: Wikipedia)

Az adott szuperhabitábilis környezetekben fejlődő élet korántsem biztos, hogy érzékenyebb a külső terhelésre, kozmikus hatásokra (extrém UV-sugárzásra, szuperflerekre) nézve, mint a földi bioszféra. Mindemellett ugyanolyan intenzitású hatások esetén az erősebb mágneses tér, a vastagabb légkör a földi körülményeknél jobban védheti a bolygófelszíni életet.

Az is előfordulhat, hogy még jóval több, nem ismert feltételnek is teljesülnie kell a nagyobb tömegű sziklás bolygók esetében a szuper-lakhatósághoz, mint a fentiekben bemutatott feltételek sora. Ez pedig tovább csökkentheti a szuper-lakható szuper-Földek feltehetően alacsony gyakoriságát. A földihez hasonló komplex életet hordozó világokban a környezeti feltételek (központi csillag, a bolygó jellemzőiből adódóan) több vonatkozásban is eltérhetnek a földiétől. Ezek az eltérések nagyobb fokú, vagy más jellegű alkalmazkodóképességet is tehetnek szükségessé, ugyanakkor más jellegű eltérések a földinél kedvezőbb környezetet is biztosíthatnak a szén alapú élet általunk ismert formája számára. Jellegzetes példa lehet a növények alkalmazkodására, amikor a központi csillag fizikai tulajdonságai különböznek Napunkétól. Egy halvány vörös törpe bolygóján a növények fotoszintetikus pigmentjei a teljes látható és infravörös hullámhossz-tartomány fényenergiáját felhasználják. Nagyon kis mennyiségű fényt reflektálva ezek a növények leginkább feketének látszanának [12]. Egy K-színképtípusú csillag esetében a növények színe ugyan eltérne, de már jobban emlékeztetne a Földünkön megszokott vegetáció színéhez. Más jellegű eltérések a földinél kedvezőbb feltételeket biztosíthatnak. Így például egy cirkumbináris (kettőscsillag körüli pályán keringő) földszerű bolygón fennálló körülmények remek feltételeket szolgáltathatnak a szupehabitábilitáshoz, miáltal a planéta a bináris ciklusokban több fényt kaphat, ami növelheti a biodiverzitást [13].

Ha a jövőben rábukkanunk egy földihez sok tekintetben hasonló bioszférára egy, a miénkhez hasonló tömegű bolygón, akkor annak alapos vizsgálata közelebb vihet a szuperlakhatóság feltételrendszerének jobb megértéséhez is. Kielégítőbb választ kaphatunk arra is, hogy vajon a Földénél kissé nagyobb bolygótömeg a legtöbb esetben valóban előnyt jelent-e egy földi típusú bioszféra kifejlődéséhez.

Összegzés

Egy összetett bioszféra számára a földinél is kedvezőbb feltételek kialakulása leginkább olyan Nap-szerű és nála kisebb tömegű G-típusú, valamint K-színképtípusú csillagok lakhatósági zónájában keringő kőzetbolygókon valószínű, amelyek valamivel, de nem sokkal nagyobb tömegűek, mint a sajátunk (1-3 földtömeg és 1-1,35 földátmérő) (3. ábra). Ezeknek a kőzetbolygóknak ugyanis Földünknél nagyobb a légkörmegtartó képessége, a vastagabb légkör mellett megfelelő méretű fémes mag esetén pedig erősebb és hosszabb ideig fennmaradó mágneses tér generálódhat. További kedvező tényező lehet az ilyen tömegkategóriájú bolygókon az akár hosszabb ideig fennálló aktív tektonikai fejlődési fázis is. Mivel pedig a lemeztektonika hatékony működésének egyik elengedhetetlen feltétele a megfelelő ásványi összetétel, létezhet a kis tömegű szuper-Földeknek egy olyan kedvezőbb ásványi összetételű hányada, amely a földi ásványi kompozíciónál hatékonyabban hozzájárul egy jobb feltételrendszer kialakulásához a komplex élet számára.

FUTÓ PÉTER

IRODALOM


[1] Heller R., Armstrong J. (2014): Superhabitable Worlds. Astrobiology. 14. 50-66.
[2] Futó Péter (2010): Szuper-Földek. Természet Világa. 141. évf. 11. sz. 520-522.
[3] Bryan M. L. et al. (2019): An eccess of Jupiter analogs in super-Earth-systems. The Astronomical Journal. 157. 52.
[4] Grazier K. R. (2016): Jupiter: Cosmic Jekyll and Hyde. Astrobiology. 16. 23-38.
[5] Shahar A. et al. (2019): What makes a planet habitable? Science. 364. 434-435.
[6] Dorn C. et al. (2018): Outgassing on stagnant-lid super-Earths. Astronomy and Astrophysics. 614. A18.
[7] Andrés-Suárez L. et al. (2018): C/O vs Mg/Si ratios in solar type stars. The HARPS sample. Astronomy and Astrophysics. 614. A84.
[8] Futó Péter (2020): On the effect of the Mg/Si ratio on the mantle dynamics of the massive rocky planets. Implications for the habitability and superhabitability of HZ-super-Earths. Lunar and Planetary Science Conference LI, 1021, Houston
[9] Neill C. et al. (2016): A window for plate tectonics in terrestrial planet evolution? Physics of the Earth and Planetary Interiors. 255. 80-82.
[10] Heller R. (2015): Better than Earth. Scientific American. 312. 32-39.
[11] Olson L. S. et al. (2019): Exo-oceanography and the search for life in uncharted waters. Goldschmidt Abstracts, 2019, 2513.
[12] Kiang N. Y. (2008): The color of plants on other worlds. Scientific American. 298. 48-55.
[13] Mason P. A. et al (2015): Superhabitable circumbinary planets. Astrobiology Science Conference 2015. Abstract 7696.

A cikk a Természet Világa 2020. áprilisi számában (151. évf. 4. sz.) jelent meg.

Természet Világa