Manen die rond vrij zwevende exoplaneten draaien, zouden een groot deel van de warmte die diep in hun binnenste door getijdenkrachten wordt gegenereerd, kunnen vasthouden, mits ze een dikke, door waterstof gedomineerde atmosfeer hebben. Onder leiding van David Dahlbüdding van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics en Giulia Roccetti van het Europees ruimteagentschap ESA voorspelt een nieuwe studie dat waterstof zou kunnen fungeren als een krachtig broeikasgas, waardoor mogelijk gedurende miljarden jaren leefbare omstandigheden zouden kunnen bestaan nadat hun moederster voor het eerst uit hun sterrenstelsels zijn geslingerd. Het onderzoek is gepubliceerd in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Warmteabsorberende waterstof
Astronomen hebben inmiddels honderden exoplaneten ontdekt die door de interstellaire ruimte zwerven; de meeste zijn waarschijnlijk in een ver verleden door heftige zwaartekrachtinteracties uit hun moedersystemen geslingerd. Na hun uitstoot zijn deze zwervende werelden waarschijnlijk extreem koud en donker geworden, volgens sommige astronomen hebben hun manen wellicht een interessanter lot ondergaan. Tijdens de chaos van de uitstoot kan de baan van een maan sterk uitgerekt raken, waardoor deze herhaaldelijk wordt uitgerekt en samengedrukt door de zwaartekracht van de moederplaneet. Net als bij Europa en Enceladus in ons eigen zonnestelsel zouden deze getijdenkrachten enorme hoeveelheden interne warmte kunnen genereren. Als de atmosfeer van zo'n maan onstabiel genoeg was om gassen te laten condenseren tot vloeibare vorm, zou het grootste deel van deze getijdenwarmte gewoon de ruimte in stralen. Maar de situatie zou heel anders kunnen zijn voor hogedruk atmosferen die worden gedomineerd door waterstof.
In de huidige atmosfeer van de aarde hebben waterstofmoleculen (eenvoudige paren van aan elkaar gebonden waterstofatomen) nauwelijks een opwarmend effect, maar onder hoge druk kunnen ze warmte absorberen via een proces dat bekendstaat als ‘botsingsgeïnduceerde absorptie’ (collision-induced absorption - CIA). Tijdens kortstondige botsingen vormen waterstofmoleculen supramoleculaire complexen: tijdelijke samenstellingen die bij elkaar worden gehouden door zwakke, niet-covalente bindingen. Deze complexen zijn veel beter in het absorberen van infraroodstraling dan de bindingen binnen geïsoleerde waterstofmoleculen en kunnen zich meten met de absorptie van krachtige broeikasgassen zoals kooldioxide en methaan. Als gevolg daarvan hebben sommige eerdere studies onderzocht hoeveel van de energie die binnenin een maan, of zelfs pas gevormde planeten, wordt gegenereerd, efficiënt zou kunnen worden opgesloten in een dikke waterstofatmosfeer. Als dit mogelijk zou zijn, zouden deze atmosferen kunnen opwarmen zonder de grootschalige condensatie die eerdere, door kooldioxide gedomineerde modellen teisterde. “Zo'n exomaan zou oppervlaktetemperaturen kunnen hebben die hoog genoeg zijn om water vloeibaar te houden zonder een nabije ster, wat de mogelijkheden voor het ontstaan van leven in het universum aanzienlijk vergroot”, legt Dahlbüdding uit. “Maar hoewel dergelijke manen in de nabije toekomst zelfs gedetecteerd zouden kunnen worden, zal de bevestiging en analyse van een eventuele atmosfeer waarschijnlijk nog lange tijd onmogelijk zijn.”
Berekeningen combineren
Voorlopig is modellering de beste manier om deze exotische omgevingen te onderzoeken. Zoals Dahlbüdding uitlegt, stellen deze simulaties onderzoekers in staat om te volgen hoe de atmosfeer en de baan van een maan zich in de loop van miljarden jaren ontwikkelen nadat deze van zijn planeet is weggeslingerd. “We hebben nauwkeurige berekeningen van atmosferische temperaturen gecombineerd met feedback over de chemische samenstelling, voornamelijk via condensatie”, zegt hij. “Dit resulteert in de meest realistische, zij het nog steeds bij benadering, simulaties van dergelijke manen tot nu toe.” Daarnaast hebben de onderzoekers de nieuwste theoretische inzichten verwerkt over hoe de banen van exomanen in de loop van de tijd veranderen. “In 2023 heeft een studie onder leiding van Giulia Roccetti gemodelleerd hoe de circularisatie van de baan leidt tot een afname van de beschikbare getijdenwarmte in de loop van de tijd,” vervolgt Dahlbüdding. “Samen met deze eerdere resultaten kunnen we de maximale tijd berekenen die in de bewoonbare zone wordt doorgebracht.”
Het behoud van vloeibaar water
Uit de berekeningen van het team blijkt dat in de dikste, door waterstof gedomineerde atmosferen die zijn onderzocht (met een druk die 100 keer zo hoog is als de oppervlaktedruk op aarde), het effect van door botsingen veroorzaakte absorptie ervoor zou zorgen dat de omstandigheden zowel warm als stabiel genoeg zijn om vloeibaar water in stand te houden. In sommige gevallen zouden deze leefbare omstandigheden tot wel 4,3 miljard jaar na de uitstoot van de moederplaneet kunnen voortduren, vergelijkbaar met de huidige leeftijd van de aarde. “De waterstof fungeert niet alleen als een krachtig broeikasgas, maar ook als een stabiele achtergrond waar min of meer condenserende stoffen zoals methaan, ammoniak en waterdamp verder kunnen bijdragen aan het vasthouden van de interne warmte,” zegt Dahlbüdding.
Parallellen met de vroege aarde
De onderzoekers stellen dat hun bevindingen niet alleen van nut zijn voor het modelleren van verre exomanen, maar ook licht kunnen werpen op het verleden van de aarde zelf. Voordat er leven ontstond, was de atmosfeer van onze planeet mogelijk veel rijker aan waterstof dan vandaag de dag, en werd deze periodiek onder druk gezet door frequente inslagen van asteroïden, omstandigheden die de door botsingen veroorzaakte absorptie zouden kunnen hebben versterkt. Dergelijke omgevingen kunnen de vorming en replicatie van RNA-moleculen hebben bevorderd, wat uiteindelijk heeft bijgedragen aan het op gang brengen van het evolutieproces. “Door middel van voortdurende discussies koppelen we ons onderzoek aan de nieuwste ontwikkelingen in het onderzoek naar het ontstaan van leven op aarde,” zegt Dahlbüdding. “En met ons artikel hopen we deze brug tussen bio- en astrofysica ook voor andere wetenschappers te slaan.”
Bron: Phys.org
