Az 1970-es évek végén a Szaturnusz furcsa holdja, a Titán, egy ködös, narancssárga égitest, fontos látogatókat várt: először a NASA Pioneer 11 szondája, majd a Voyager ikerűrszondák érkeztek a közelébe. A legtöbb holdnak nincs légköre, vagy alig büszkélkedhet mással, mint fátyolos, gáznemű burokkal. A Titánt azonban olyan sűrű nitrogén- és metánréteg fedi, hogy egy pár szárnnyal és egy nekifutással az űrhajósok a karjukat csapkodva tudnának repülni rajta.

Néhány évvel azután, hogy a szondák elszáguldottak a Titán mellett, Kevin Zahnle, a NASA Ames Kutatóközpontjának bolygókutatója a Titán légkörének rejtélyein töprengett, mikor azon kapta magát, hogy a legbanálisabb kérdésre sem tudja a választ, vagyis hogy miért van egyáltalán légköre a Titánnak. A legtöbb szakértő úgy gondolta, hogy a bolygók, és az olyan furcsa holdak, mint a Titán, légkörének megléte a kiindulási anyagoktól függ.

A kutatók azt is tudták, hogy a légkör a gravitáció miatt marad meg az égitestek körül, és a legkisebb objektumoknak nincs elég súlya ahhoz, hogy megtartsák az atmoszférát. Ugyanakkor a Mars megfigyelései azt mutatták, hogy a bolygó viszonylagosan nagy méretei ellenére jelentős mennyiségű légkört veszített el az idők során.

Ahogy Zahnle megvizsgálta a Naprendszer minden részéből származó adatokat, azon kezdett el gondolkodni, hogy inkább a légköri veszteségek, és nem a kiindulási anyagok határozzák meg, hogy az égitestek megtartják-e az atmoszférájukat. Több tucat naprendszerbeli objektumot ábrázolt egy egyszerű grafikonon, amelyen összehasonlította a szökési sebességeket (lényegében a gravitáció mértékét) a kapott napfény mennyiségével, mivel a túl erős napfény nem tesz jót a légköröknek.

Zahnle kozmikus partvonalával eleinte nem nagyon foglalkoztak a kutatókollégák. Elmondása szerint a többség továbbra is arra összpontosított, hogy a bolygók hogyan tettek szert légkörre, nem pedig arra, hogy hogyan veszítették (vagy nem veszítették) el azt. Évtizedekkel később azonban a Naprendszerünkön túli bolygók ezreinek felfedezése új életet lehelt az addig nagyrészt figyelmen kívül hagyott ötletbe. Napjainkban gőzerővel folyik a kutatás az élhető idegen világok, és a légkörükben található élet esetleges jelei után. A sikerhez a szakértőknek atmoszférával rendelkező bolygókat kell találniuk. És a kozmikus partvonal, ha valóban egyetemes érvényű, és más csillagrendszerekben is érvényes, világos utat mutat, hogy hol kezdjék a keresést.

A kutatók most a NASA James Webb űrteleszkópjával (JWST) teszik próbára az elképzelést. Az űreszköz már egy maroknyi apró, hűvös csillag körül keringő kőzetbolygó körül „szaglászott” légkör után. Idén tavasszal pedig újabb több tucatnyi kőzetbolygó nagyszabású felmérését kezdi meg. „Ez annyira lenyűgöző kérdés, hogy mindenki ráugrott” – mondja Kevin Stevenson asztrofizikus, a Johns Hopkins Egyetem Alkalmazott Fizikai Laboratóriumának munkatársa. És szerinte végre rendelkezésünkre áll a technológia, hogy megválaszoljuk.

Elveszett légkörök

Fantáziadús elnevezésétől megfosztva a kozmikus partvonal első hallásra nem tűnik különösebben érdekes határnak. A bolygók azonban rendkívül komplex, hosszú életű objektumok. Az evolúciójukkal kapcsolatos egyszerű kérdések meglepően mélyrehatóak, és a válaszok fontos következményekkel járnak a lakhatóság és potenciálisan az élet szempontjából. Zahnle számára a partvonal egy metaforikus határterület. Ahogy megfogalmazza:

A légkörök definíció szerint a bolygókon kívül találhatók. De a levegő, amit a kőzetanyagú égitestek körül találunk, valószínűleg a belsejükben lévő, könnyen elpárolgó anyagként kezdte, mielőtt a fiatal, forró bolygók gyakorlatilag kiűzték volna ezeket az illékony anyagokat kőzeteikből. Amikor egy bolygó így épít légkört, az kozmikus értelemben gyorsan történik: az akció nagy része néhány százmillió év alatt véget ér. Zahnle partvonala azt mutatja, hogy mi marad e kritikus időszak után, és arra összpontosít, hogy a légköri veszteség, nem pedig a kiindulási anyagok határozzák meg, hogy a gázoknak sikerül-e „megkapaszkodniuk” egy formálódó égitestben.

Ahhoz, hogy egy légköri részecske elszökjön egy bolygótól, meg kell haladnia egy kritikus sebességet, amelyet szökési sebességnek neveznek. Minél nagyobb a bolygó gravitációja, annál gyorsabban kell repülnie a részecskének, ha el akar szabadulni. A részecskék szökési sebességének növelésére a napfény az egyik mód, amely felmelegíti a légkört, és növeli annak esélyét, hogy néhány száguldó részecske elszökjön. Zahnle eredeti kozmikus partvonala a beérkező csillagfény és a szökési sebesség közötti egyensúlyt ragadta meg, és ezt a kapcsolatot használta fel a Naprendszerünkben lévő légkör nélküli és gázzal borított bolygók kategorizálására. A Naprendszerben azonban egy-egy bolygót nem csak egyféleképpen lehet megfosztani légkörétől.

A napfény mellett ugyanis a becsapódásoktól sem lehet eltekinteni, mondja David Catling, a Washington Egyetemről bolygókutatója. Ha egy aszteroida vagy üstökös elég erővel talál egy bolygót, a becsapódás szó szerint darabokra robbanthatja a bolygó légkörét. És minél közelebb kering a bolygó a csillagához, annál erősebben csapódnak be ezek a kozmikus lövedékek. Amikor Zahnle ezt a becsapódási tényezőt is figyelembe vette, újabb határozott vonalat kapott, amely elválasztotta a légkörrel rendelkező és az azt nélkülöző naprendszerbeli égitesteket.

Zahnle végül közel egy évtizedre félretette ezt a problémát. Aztán a 2010-es évek közepén az exobolygók „olyan sűrűn kezdtek hullani, akár a hó”, mondja. És az új megfigyelésekkel eljött az új lehetőség – és egy új partvonal is.

Lehetőségek és veszélyek

A csillagászok mostanra közel 6000 Naprendszeren kívüli bolygót azonosítottak. Néhányan már azt is remélik, hogy a JWST segítségével egy maroknyi potenciálisan lakható idegen égitestet rövidesen részleteiben is elemezni tudnak. A JWST-t azonban eredetileg nem arra tervezték, hogy exobolygókat kémleljen, hiszen amikor fejlesztették, még alig ismertünk ilyen égitesteket. És különösen nagy gondot jelent számára a nagyobb, fényesebb csillagok körül keringő halvány kőzetbolygók vizsgálata, vagyis a Földhöz hasonló égitesteké.

A JWST ugyanakkor jól képes tanulmányozni az apró, halvány, M-törpéknek nevezett csillagok körül tisztes távolságban keringő kőzetbolygókat. És történetesen ezek a leggyakoribb csillagok galaxisunkban. Ahogy Jacob Lustig-Yaeger, Stevenson munkatársa fogalmaz, az M-törpék tehát nagy lehetőséget jelentenek.

„Ez az esélyünk arra, hogy légköröket keressünk apró, Földhöz hasonló méretű bolygók körül, és ezt jelenleg csak kis csillagok körül tehetjük meg” – mondja Lustig-Yaeger. „Ezt kell valahogy egyensúlyba hoznunk azzal, amit kezdünk úgy hívni, hogy az M-törpék veszélye.”

Az M-törpék ugyanis egyszerre aprók és kaotikusak. Életük első százmillió évében ezek a harcias kis csillagok nagyon sok fényt termelnek a nagyenergiájú ultraibolya és röntgen hullámhosszokon (XUV). Még amikor lenyugszanak, akkor is nagyobb arányban bocsátanak ki XUV-fényt, mint a Naphoz hasonló csillagok. Ez a sugárzás pedig gondot jelenthet a légkörök túlélése szempontjából. Egyes szakértők azt gyanítják, hogy egy bolygók légkörének zsugorodásakor nem a teljes csillagfény, hanem a nagyenergiájú XUV-sugárzás az, ami igazán számít. Ez a bolygó légkörének legfelső rétegeit terheli, ahonnan a gázrészecskék a legkönnyebben tudnak elszökni.

– mondja Lustig-Yaeger.

Miközben a kutatók azt fontolgatták, hogy az ilyen csillagok által felhevített világok meg tudják-e tartani a légkörüket, Zahnle Catlinggel összefogva kiterjesztette a kozmikus partvonal fogalmát. 2017-ben új grafikonokat tettek közzé a napfényes és becsapódási partvonalakról, immár több száz ismert exobolygót is bevonva. És ábrázoltak egy harmadik partvonalat is: ezt a teljes XUV-sugárzásból származtatták, amelyet egy bolygó az élete során kap.

A három határvonal egyformán jól osztotta fel a Naprendszer bolygóit. Az XUV- és a napfény-határvonal azonban nagyon különböző területeket határoz meg az M-törpék körül keringő kőzetbolygók populációjában, ahol jóval több égitest esik az XUV-vonal légkör nélküli oldalára.

„Nem tudjuk pontosan, hol húzódik a kozmikus partvonal az M-törpék esetében” – mondja Eliza Kempton, a Marylandi Egyetem csillagásza. És szerinte fontos, hogy ezt kiderítsük, mert mielőtt megpróbálnánk életre utaló jeleket találni a lakható világokban, fel kell tennünk a kérdést:

A partvonal térképe

Ez a kérdés először 2017-ben került a címlapokra és a közvélemény fantáziáját is megragadta, amikor a csillagászok hét, a Földhöz hasonló méretű bolygót észleltek a TRAPPIST–1 nevű vörös törpecsillag körül. A szokatlan bolygórendszer tökéletes vadászterületnek tűnt az élet kutatói számára. Nem elég, hogy a bolygók közül három a csillag élhetőségi zónájában volt, a JWST mind a hetet képesnek bizonyult vizsgálni. A bolygók légkörének tanulmányozásával az asztrobiológusok az élet spektrális ujjlenyomatait remélték megtalálni a rendszerben.

A légkör kimutatásának legegyszerűbb módja a bolygó hőmérsékletének megmérése, mondja Jacob Bean, a Chicagói Egyetem csillagásza. Az égitestek nappali és éjszakai oldalának hőmérsékletét összehasonlítva, amit a JWST jelenleg is tesz a forró kőzetégitestek esetében, a szakértők következtetni tudnak arra, hogy van-e a légkör, ez ugyanis némileg kiegyenlíti a hőmérsékletet a bolygókon.

Amikor a csillagászok a JWST segítségével először mérték a TRAPPIST–1 b és c, a rendszer legbelső bolygóinak hőmérsékletét, rögtön kizárták a sűrű légkörök jelenlétét. Ami nem meglepő, hiszen ezek az égitestek mindhárom partvonal légkör nélküli oldalára esnek. Kempton, Bean és kollégáik más bolygókon is kizárták a sűrű légkörök létét, például a Gl 486b és a GJ 1132b esetében (mindkettő forró, M-törpék körül keringő kőzetbolygó, amelyeknek Zahnle grafikonjai alapján is légkör nélkülieknek kellene lenniük).

Azóta azonban tovább bonyolódott a kép: A TRAPPIST–1 b újabb megfigyelései vagy csupasz, de geológiailag aktív felszínre, vagy ködös szén-dioxid-légkörre utalnak. És a JWST megfigyelései egy hűvösebb bolygó, az LTT 1445 A b kapcsán is hasonlóan „ködösek”, mondja Bean.

Bean szerint más, a miénkhez hasonló, hűvösebb világok esetében a légkör megtalálása más technikát igényel. Amikor tőlünk nézve egy bolygó elhalad a csillaga előtt, a csillag fénye rövid időre átsüt az esetlegesen létező légkörön. A csillagászok meg tudják vizsgálni ezt a csillagfényt, és olyan spektrális nyomokat kereshetnek, amelyek utalnak a légkör összetételére. Ez a módszer, az úgynevezett tranzit spektroszkópia azonban néha nehezen különbözteti meg a nagyon sűrű légköröket a légkörök hiányától, és a csillagok egyéb „rendellenességei”, például a napfoltok tovább bonyolíthatják az értelmezést.

Lustig-Yaeger és Stevenson jelenleg ezzel a módszerrel értékeli a kozmikus partvonalat, a JWST-t öt hűvösebb kőzetbolygóra, köztük a TRAPPIST–1 h-ra irányítva. Eddig négy olyan égitestről tettek közzé megfigyeléseket, amelyek közel vannak a napfény-partvonalhoz, viszont mélyen az XUV-partvonal légkörmentes sivatagába esnek. Kettő látszólag légkör nélkülinek tűnik, de előfordulhat, hogy ha a légkör ritka, ködös vagy felhős légkör, akkor nem sikerült észlelniük. A másik kettőnél forró, gőzös légkörre utalnak a jelek, de ezek a megfigyelések ugyanolyan könnyen magyarázhatók napfoltok jelenlétével is.

Kétségtelen, hogy az apró exobolygók légkörének megtalálása kihívást jelent. De a légkörvadászok bíznak abban, hogy a JWST-vel meg tudnak küzdeni ezzel. Azzal, hogy a könnyebben megfigyelhető forró kőzetbolygókkal kezdenek, majd finomítják a módszereiket, „eljuthatunk olyan bolygókhoz, amelyek a kozmikus partvonalakra esnek, így feltérképezhetjük, hol van a tényleges határ” – mondja Kempton.

Élet a kozmikus partvonalon

Miközben a szakértők a valódi kozmikus partvonalra vadásznak, néhányan – köztük Zahnle – is elismerik, hogy a fogalom valószínűleg túlzottan leegyszerűsítő. Figyelmen kívül hagyja a légkör mennyiségét, amellyel a bolygók indulnak. Feltételezi, hogy csak a veszteség számít. És azt is feltételezi, hogy ha egy bolygó elveszíti a légkörét, akkor azt végleg elveszett.

A valóság valószínűleg sokkal összetettebb ennél. A kozmikus partvonal vélhetően kevésbé hasonlít egy rendezett kerítésre, és inkább egy vad határvidék, mondja Joshua Krissansen-Totton, a Washington Egyetem bolygókutatója. Figyelemre méltó például, hogy saját, M-törpék körül keringő bolygókról készített számítógépes modelljei azt sugallják, hogy ezek idővel visszanyerhetik elveszített légkörüket.

„Pusztán az, hogy a veszteség nagy, nem feltétlenül jelenti, hogy ezek a bolygók légkör nélkül végzik” – mondta. Egy idősebb bolygó légkörének milyensége inkább a bolygó fejlődésének és a kiindulási körülményeknek az összetett függvénye. Ezzel Zahnle is egyetért. Ez a természet-nevelés vita bolygókra értelmezett változata, és a válasz természetesen az, hogy mind a természet, vagyis a kiindulási körülmények, mind a későbbi tényezők szerepet játszanak, mondja.

A galaxisunkban található csillagok 70%-a M-törpe. Ha az M-törpék elkerülhetetlenül lehántják bolygóik légkörét, akkor nem sok valós esély lesz arra, hogy ezek közt életre alkalmasakat vagy életet hordozókat találjunk. De attól függően, hogy a JWST mit talál, az élet légköri nyomainak keresése akár már most is elkezdődhet. Ugyanakkor az is lehet, hogy  meg kell várni az űrbe telepített obszervatóriumok következő generációját, hogy a Földhöz hasonló világok légkörében bioszignatúrákat keressünk.

Ahogy a kozmikus partvonal utáni vadászat is mutatja, az exobolygókról bármit megtudni mindig rendkívül nehéz. Az exobolygók sokasága azonban egy tagadhatatlan előnyt kínál: a mennyiséget.