Meglehetősen furcsa lenne a TRAPPIST-1 rendszer hét Földhöz hasonló méretű bolygójának egyikén élni. Az égbolton egy hatalmas vörös csillag látszana, amely hajlamos a kaotikus kitörésekre, és többször nagyobbnak tűnik, mint a Nap. Nem lenne nappal és éjszaka, mivel minden bolygó kötött keringésű, így egyik oldaluk örökké perzselően forró, a másik örökké fagyos. A nappali és az éjszakai oldalt elválasztó határ mentén – az egyetlen helyen, ahol elviselhető az éghajlat – szüntelen szélvihar tombolna, miközben a csillag örökös naplementében függ a horizonton.
Az éjszakai oldalon tett rövid séta során megpillanthatnánk a többi bolygót. Néhány naponta elhaladna a közelünkben egy vagy több, és közben nagyobbnak tűnnének a Holdnál. Az éjszakai égbolt éles szemű megfigyelői észrevehetnének egy fényes sárga csillagot is, a rendszer egyik közeli szomszédját, és elgondolkodhatnának azon, vajon milyen lehet az élet ennek az égitestnek a közelében, amelyet mi Napnak hívunk. Saját sárga csillagunk melegében sütkérezve annak feltárása 41 fényév távlatából, hogy vajon a TRAPPIST-1 bolygóinak bármelyike élhető otthont kínálhat-e képzeletbeli megfigyelőnek, meglehetősen frusztráló folyamat.
Ígéretes kezdetek – eredmények nélkül
Amikor 2017-ben felfedezték a TRAPPIST-1 körül keringő hét bolygót, a csillagászok úgy gondolták, hogy a rendszer a legjobb hely lehet, ahol élhető bolygót kereshetnek a NASA majdani James Webb űrtávcsövével (JWST), amely két évvel ezelőtt végre tényleg munkába állt. A műszer és a célpont tökéletes párosításnak tűnt: a JWST egyedülálló módon képes belelátni az exobolygók légkörébe az infravörös tartományban, ahol az olyan, potenciális életet jelző molekulák, mint a víz és a szén-dioxid, lenyomatot hagynak.
A TRAPPIST-1 pedig, amellett, hogy viszonylag közel van, egy M sorozatú vörös törpe, amely alig nagyobb a Jupiternél, és olyan hűvös és halvány, hogy fénye nem nyomja a bolygók által visszavert fényt. A kőzetbolygók a Merkúrénál sokkal szorosabb pályán keringenek, ami azt jelenti, hogy a hétből négy az élhető zónában van, vagyis becsült felszíni hőmérsékletük alapján folyékony vizet hordozhatnak. A gyors, legfeljebb 3 hetes pályák is ideálisak megfigyelési szempontból, hiszen a bolygók rendszeresen keresztezik a csillag korongját a Föld és a JWST szemszögéből, így gyakran lehet őket tanulmányozni.
Ezek az átvonulások a megfigyelők számára ideálisak, mert ha van légköre az égitestnek, akkor a csillagfény egy része áthatol rajta. A légkör kémiai összetevői szelektíven elnyelhetik a fényt bizonyos hullámhosszokon, így a csillagfény spektrumában hiányok látszanak. A csillagászok ezt a technikát használták arra, hogy bizonyítékot találjanak a szén-dioxid, a metán és a víz jelenlétére a nagy, forró, lakhatatlan bolygók légkörében. Ezeknek a gázoknak az észlelése a TRAPPIST-1 bolygókon segítene megalapozni, hogy ezek a bolygók alkalmasak lehetnek az élet számára.
A módszer alkalmazása eleve nem tűnt könnyűnek, mert a TRAPPIST-1-hez hasonló vörös törpék általában nagyon kaotikusak, váratlan kitöréseket produkálnak és ilyenkor olyan erősen sugározhatnak, hogy legyalulják a légköröket, illetve megzavarják a gyenge légköri jeleket.
A JWST eddig 175 órányi megfigyelési időt szán a TRAPPIST-1-re, azonban egyelőre még arra sem talált határozott bizonyítékot, hogy a rendszer bolygói körül egyáltalán van-e légkör.
Új tájak felé
Ezért a csillagászok egy része szeretné kiszélesíteni a vizsgált égitestek körét. A NASA és a JWST-t működtető Space Telescope Science Institute (STScI) tanácsadó munkacsoportja a különböző vörös törpék körül keringő, 15–20 apróbb kőzetbolygó 500 órás, átfogó vizsgálatát szorgalmazza, hogy egyszer s mindenkorra eldöntsék, hogy az ilyen bolygóknak lehet-e légkörük. „Ha nem találunk semmit, az csalódás lesz, de jó érzés lenne, ha végleges választ kapnánk” – mondja Seth Redfield, a Wesleyan Egyetem kutatója, a munkacsoport vezetője.
Mások úgy vélik, hogy az élhetőségi kutatásokat más típusú bolygókra is ki kell terjeszteni. Például a nagyobb méretű szuperföldeket is figyelembe kellene venni, amelyeket globális óceánok ölelhetnek körül. Vagy talán az olyan még nagyobb égitestek, mint a minineptunuszok is érdekesek lehetnek, hiszen sűrű hidrogénlégkörük alatt akár vízóceánok is rejtőzhetnek. „Ezek inkább spekulatív elképzelések, hiszen a kérdéses égitestek nagyon különböznek azoktól az égitestekről, amelyeken jelenleg el tudjuk képzelni az életet” – mondja Charles Cockell, az Edinburghi Egyetem Asztrobiológiai Központjának igazgatója. „De minden olyan bolygót meg kell vizsgálni, amely megfelelő feltételekkel rendelkezik.”
A mérettől függetlenül jelenleg mindössze egy maroknyi jelölt van a JWST hatósugarában.
René Doyon, a Montreali Egyetem csillagásza mindössze hat planétát tart számon: a TRAPPIST-1 négy „mérsékelt” hőmérsékletű bolygóját, amelyeket még nem vizsgáltak kimerítően, egy potenciálisan vizes szuperföldet, az LHS 1140b-t, és egy hidrogénbe burkololózó, Neptunuszhoz hasonló bolygót, a K2-18b-t. Ahogy Michaël Gillon, a Liège-i Egyetem munkatársa, a TRAPPIST-1 bolygóinak felfedezője mondja, az élhetőnek tűnő bolygók java egyelőre elérhetetlen az emberi műszerekkel való vizsgálatra.
Ráadásul az idő is korlátozott. A JWST várhatóan 20 évig fog működni, ami kétszerese az indításkor előre jelzett időtartamnak, de az élhető légkörök megtalálására és tanulmányozására – ami a vártnál is nehezebbnek bizonyul – ez kevés lehet, hiszen az alapos vizsgálathoz számos átvonulási cikluson keresztül kellene megfigyelni a planétákat.
Más Földek?
Az csillagászok régóta úgy vélik, hogy ha van élet a Földön kívül, az a miénkben hasonló méretű és környezetű kőzetbolygón létezhet. Egyrész nem is lehet mindenhol keresni, és a szűkítésre jó módszer, hogy abban a körben vizsgálódunk, amelyről már tudjuk, hogy alkalmas az életre.
A légköri oxigén jelenléte nem szükségszerű, mert a Földön létezhet élet anélkül is, de a legtöbb asztrobiológus egyetért abban, hogy minimálisan vízre, energiaforrásra és egy helyre van szükség, ahol a prebiotikus molekulák koncentrálódhatnak és reagálhatnak. Ez lehet egy napos partvonal mentén lévő sziklamedence, forró források vagy óceáni hidrotermális kürtők környéke. A víz folyékonyan tartásához pedig megfelelő éghajlatra van szükség, amit az üvegházhatású gázok, például a szén-dioxid segíthet fenntartani.
Azonban a Föld ikertestvéreit sem könnyű tanulmányozni. A mai távcsövekkel lehetetlen róluk felvételeket készíteni, mivel még mindig csak a legnagyobb, legforróbb bolygókat tudjuk közvetlenül lefényképezni, ezeket is leginkább akkor, ha távoli pályákon keringenek, messze a csillag vakító fényétől.
De gondoljunk csak bele, ha a Földet próbálnánk hasonlóan vizsgálni, az is nehéz lenne hiszen 365 naponta csak egyszer haladna át a csillaga előtt, és amikor ez megtörténne, a fényességcsökkenés egyszerűen túl kicsi lenne ahhoz, hogy a jelenlegi műszerekkel mérni lehessen.
Rakoncátlan törpék
A figyelem ehelyett a kis vörös törpecsillagok, az M törpék felé fordult, amelyek a Nap méretének 10–60%-át teszik ki, fényességük pedig mindössze 7%-a Napénak. Az exobolygó-felmérések szerint az M-törpék rengeteg apró kis kőzetbolygóval rendelkeznek, amelyek szoros pályán keringenek, némelyikük néhány óránként produkálva egy-egy átvonulást. És galaktikus szomszédságunkban rengeteg ilyen csillag van: a Földhöz legközelebbi 60 csillag közül 50 M törpe.
Az M törpék mintapéldánya, a TRAPPIST-1 körül keringő bolygók átvonulási eredményei azonban nem mutattak egyértelmű légkörre utaló jeleket. A legbelső bolygót, a TRAPPIST-1b-t 2023 márciusában vizsgálták. Ez négyszer annyi sugárzást kap, mint a Föld, és nem látszik légkör körülötte. 2023 júliusában a kutatók a szomszédos TRAPPIST-1c felé fordultak, amelynél a Vénuszhoz hasonló mérete és a csillagától kapott sugárzása alapján sűrű légkörre lehetett számítani. Úgy találták, hogy ez is nagyon forró, ami arra utal, hogy alig van levegő, amely a hőt az éjszakai oldalára terelné. A kutatócsoport azonban nem tudta kizárni a vékony gázréteg létezését, és egy későbbi modellezési kísérlet azt sugallta, hogy egy oxigén- vagy vízgőzfoszlány is megfeleltethető az adatoknak.
A TRAPPIST-1b és c körül légkört találni mindig is nehéz feladatnak tűnt, figyelembe véve a csillaghoz való közelségüket. De van egy alapvetőbb aggodalom is: a TRAPPIST-1 bolygói a csillag miatt hajlamosak lehetnek a légkör elvesztésére, mondja Laura Kreidberg, a Max Planck Csillagászati Intézet munkatársa. Az M-törpék fiatal korukban különösen hevesek, a közeli bolygókat ultraibolya és röntgensugárzással bombázzák, ami lehánthatja a légkört. És ha a bolygó légköre meg is marad a kezdeti káoszban, az M-törpék hosszú életük során folyamatosan produkálnak heves kitöréseket. Ezek a csillagok több százszor tovább élnek, mint a Nap, és a TRAPPIST-1 már jelenleg is majdnem kétszer olyan idős, mint saját csillagunk.
A kudarcok ellenére a kutatók a TRAPPIST-1b és c bolygókról a rendszer hűvösebb, a csillagtól távolabb eső bolygóit is vizsgálni kezdték. Ezzel viszont az a probléma, hogy a hűvösebb bolygók kevesebb infravörös sugárzást bocsátanak ki, ami megnehezíti vizsgálatukat. Ráadásul a hűvösebb légkör kisebb kiterjedésű is, ami gyengíti az esetleges észlelési jeleket.
A becslések szerint például a JWST-nek több mint 100 óra megfigyelési időre lesz szüksége ahhoz, hogy szén-dioxidot észleljen a hűvösebb TRAPPIST-1 bolygók egyike körül, ami rengeteg.
Az idő pénz
A JWST ideje pedig nem olcsó. Az STScI minden évben több mint 10 ezer órát oszt szét több száz megfigyelőcsoport között, és ennek az időnek csak mintegy 30%-át fordítják exobolygók tanulmányozására. 2023-ban Nancy Levenson, az STScI megbízott igazgatója, aki tisztában van azzal, hogy mennyi időbe telik a hűvös kőzetbolygók vizsgálata, 500 órát ajánlott fel az exobolygókkal foglalkozó csillagászoknak a július 1-jén kezdődő harmadik megfigyelési ciklusban, ami példátlan prioritást jelent.
Az STScI Redfield vezetésével létrehozott egy munkacsoportot is, amely javaslatot tehet az idő optimális felhasználására. Az elmúlt év során a csoport három ülést tartott, és többek közt azt javasolták, hogy az 500 órát M-törpék körül keringő 15–20 kőzetbolygó felmérésére fordítsák, hogy végleges választ kapjanak arra a kérdésre, hogy az ilyen égitesteknek lehet-e egyáltalán légkörük.
A TRAPPIST-1 rajongói számára ugyanakkor aggodalomra adhat okot, hogy a 3. ciklusra csak egy, a rendszert vizsgáló programot hagytak jóvá. Ennek keretében 129 óra jut a 3. és 4. ciklusra. A JWST 15 alkalommal fogja megfigyelni a csillagot, miközben a TRAPPIST-1b és e gyors egymásutánban átvonul a csillag előtt. A b átvonulása során a megfigyelők egy légkör nélküli spektrumot kapnak majd, és amikor az e átvonul, a csillagnak nagyon hasonló képet kell mutatnia, ha ennek sincs légköre.
Újfajta bolygók
Noha az M törpe lehet a leggyakoribb csillagtípus, a Földhöz hasonló kőzetbolygók nem a leggyakoribb bolygók. Az eddig igazolt több mint 5600 exobolygó túlnyomó többsége a Földhöz hasonló kőzetbolygók és a gázóriások közé esik méretben, ami a Naprendszerben nem létező tartomány. Hogy pontosan hogyan festenek ezek az égitestek, az egyelőre nagyrészt rejtély, bár a sűrűség talán támpontot adhat.
Ha egy bolygó sűrűsége nagy, akkor valószínűleg a Földhöz hasonló összetételű: vasmagja van, kőzetekkel és vékony réteg légkörrel van körülvéve. Ha a sűrűség kisebb, többféle lehetőség nyílik: lehet, hogy kőzetmagja van, amelyet vastag hidrogénlégkör vesz körül, vagy lehet, hogy valamivel vékonyabb légköre és globális vízóceánnal vagy jégréteggel rendelkezik. E lehetőségek felderítéséhez a kutatóknak meg kell vizsgálniuk a bolygó légkörét, és meg kell nézniük, hogy eredményeik megfelelnek-e a bolygó összetételén alapuló modelleknek.
Az egyik ilyen bolygó, amelyet a JWST vizsgál, az LHS 1140b, egy olyan égitest, amely pontosan egy M törpecsillag élhető zónájában kering, 49 fényévre a Földtől. Januárban a szakértők pontos mérésekről számoltak be a tömegéről (ez a Föld tömegének 5,6-szorosa) és a méretéről (a földi 1,73-szorosa), így a bolygó kevésbé sűrű, mint a Föld lenne felnagyítva.
Márciusban más kutatók ismertették az LHS 1140b első JWST-féle tranzitspektrumát, amelyet 2023 júliusában vettek fel. Az adatok, amelyekről az arXiv-on közzétett preprintben számoltak be, előzetesek, de arra utalnak, hogy a Földéhez hasonlóan nitrogénbő légkörről lehet szó, és egyáltalán nem utalnak hidrogénre, így az alacsony sűrűségre a víz vagy a jég a valószínűbb magyarázat.
Az LHS 1140b két, 2023 decemberében végzett tranzitmegfigyelésén alapuló, még nem publikált munkájukban a szakértők megerősítették a hidrogén hiányát. A modellek szerint így két valószínű forgatókönyv maradt: a bolygó lehet egy vízjégbe burkolt, levegőtlen szikla, mint a Jupiter Európé nevű holdja; vagy, ha a légköre sűrűbb és vaskosabb, akkor a jeget egy kellemesen meleg óceánfolt szakíthatja meg a csillag felé néző oldal közepén.
A kutatók szerint a hat potenciálisan lakható bolygó közül az LHS 1140b a legvalószínűbb, hogy megőrizte légkörét.
A bolygó JWST-vel történő megfigyelése ugyanakkor kihívásokkal teli, mivel pozíciója miatt viszonylag ritkán, csak évi négyszer lehet megfigyelni az átvonulását. Viszont akár egy tucatnyi átvonulásra is szükség lehet ahhoz, hogy megerősítsék a légkör jelenlétét, és lássák, hogy tartalmaz-e szén-dioxidot – ami a vizes felszín indikátora.
Óceánok és hiceánok
Sokkal spekulatívabb az az elképzelés, hogy egy, a Neptunuszhoz még közelebbi méretű bolygó életnek adhat otthont vastag, hidrogénben gazdag légköre mélyén.
Az egyik jelölt a K2-18b nevű bolygó, amely a Föld tömegének 8,6-szorosát teszi ki és 124 fényévre van tőlünk.
Nikku Madhusudhan, a Cambridge-i Egyetem munkatársa és kutatócsoportja a bolygóról a Hubble Űrteleszkóp által 2019-ben készített spektrumot vizsgálta, és a nagy gázbolygóknál elvárt hidrogénre utaló jeleket talált. A csapat modellezte, hogy milyen éghajlat uralkodhat egy ilyen minineptunuszon. És egyes adatok szerint folyékony vízóceán is létezhet rajta, a hőmérsékletet pedig a mérsékelten vastag légkörből származó üvegházhatás tartja a megfelelő szinten.
A kutatócsoport tavaly a JWST segítségével újra megnézte a K2-18b-t. A Naprendszerben a hidrogénben gazdag légkörű bolygók, például a Szaturnusz, kis mennyiségű ammóniát és metánt is tartalmaznak. A napfény a felső légkörben bontja ezeket a vegyületeket, de lejjebb újra összeállnak. A K2-18b-n a ritkább légkör és a vízóceán akadályozhatja ezt az „újrahasznosítást”, különösen az ammónia esetében, Madhusudhan kutatócsoportjának modellezése szerint.
A JWST által mért spektrum megfelelt ennek az előrejelzésnek, és metán és szén-dioxid jelenlétére utaló jeleket mutatott, de ammóniát nem, ami Madhusudhan szerint annak a jele, hogy a vízóceán tényleg létezik. A K2-18b-t emiatt „hiceán” (a hidrogén és az óceán keveréke) világnak nevezi. „Egyelőre egyetlen más hipotézis sem felel meg az adatoknak” – mondja. A kutatócsoport jelenleg több más hasonló világról gyűjtött JWST-adatokat tanulmányoz.
Nem mindenki hajlandó ugyanakkor elfogadni az élhető óceánvilágok gondolatát. „A legtöbb modellező elég pesszimista a folyékony vízzel kapcsolatban a szubneptunuszok felszínén” – mondja Gillon. Az üvegházhatásnak nagyon finom egyensúlyban kell lennie ahhoz, hogy mérsékelt körülmények valósuljanak meg, mert az ilyen bolygók körül a sűrű hidrogénlégkör gyorsan elszabadulhat, és a felszínt a forráspont fölé hevítheti. A légkör sűrű is lehet, hogy átjárhatatlan a fény számára. Ami azért problémás, mert a kutatók többsége szerint az ultraibolya fotonokra szükség van ahhoz, hogy komplex kémia valósuljon meg.
Kreidberg általánosságban kétli, hogy az élet létrejöhet olyan égitesteken, ahol mély globális óceánok vannak, mivel az a molekuláris építőelemek szempontjából túlságosan híg lenne. egyszerűen nem találkoznának egymással az összetevők, hogy komplex molekulákká álljanak össze.
***
A lassú előrehaladás ellenére az élhető világokat keresők erőt meríthetnek azokból a meglepetésekből, amelyeket a JWST menet közben folyamatosan szállít a nagyobb, forróbb égitestek kapcsán. A WASP-17 b égboltját például hószerű kvarcpelyhek töltik ki, a WASP-43 b felhőkkel teli éjszakai oldalára hőt szállító szuperszonikus szeleket azonosítottak, és a VHS 1256 b légkörében iszapból és homokból álló szemcsés felhőket találtak.
És a hűvösebb és nedvesebb bolygók utáni vadászat is biztosan meglepő fordulatokat hoz majd. Éppen a múlt hónapban a NASA TESS műholdja, amelyet kifejezetten arra terveztek, hogy exobolygókat fedezzen fel, talált egy bolygót, amely a JWST újabb ígéretes célpontja lehet: egy Földhüz hasonló méretű, mérsékeltnek tekinthető pályán keringő égitestet a Gliese 12 vörös törpe körül, amely még a TRAPPIST-1-nél is közelebb van a Földhöz. „Ezek az első kis lépések a kőzetbolygók megismerésében” – mondja Kreidberg.
„Ez egy nagyon izgalmas időszak. Nyilvánvalóan az élet fellelése a cél, de türelmesnek kell lennünk”
– teszi hozzá Gillon is.
