Hur beboelig är ”den beboeliga zonen”?

Rent tekniskt innehåller definitionen av ”Den beboeliga zonen” mer än att planeten ska vara lagom långt från sin stjärna för att temperaturen ska vara ”lagom”. (På grund av det sista har området fått namn efter Guldlock.) Värdstjärnan ska också befinna sig i ett område i galaxen som – åtminstone inte är ogynnsamt.

Ett absolut krav på ”beboelig zon” är att det ska finnas förutsättningar att finna vatten i flytande form på planetens yta. Det vore ett temperaturspann mellan 0°C och 100°C om lufttrycket på planeten skulle vara en atmosfär, som på havytans nivå på jorden. Det är å andra sidan rätt osäkert att en planet vi vill syna närmare har samma atmosfäriska tryck som vår egen planet. På hög höjd i nån av jordens bergskedjor kokar vattnet vid en temperatur betydligt lägre än 100°C.

I senaste artikeln om exoplaneter ägnades en del åt verktyg som man kan använda för att samla data om en stjärna. När man fokuserar på den totala energin som en stjärna utstrålar pratar man om bolometrisk luminositet. Som referenspunkt har vi vår egen stjärna, Solen. En stjärna som har en bolometrisk luminisitet på 2 L(sol) utsänder två gånger så mycket energi som Solen. Har en stjärna en bolometrisk luminositet på 0,1L(sol) utstrålar den endast en tiondel av den energi som Solen gör.

Regnbågspelaren i mitten representerar de våglängder av elektromagnetisk strålning vi uppfattar med våra ögon – synligt ljus. Diagrammet i mitten visar fördelningen i utrstrålad energi för en stjärna likt vår Sol. Till vänster visas en het stjärna och till höger en sval sådan – likt Trappist-1

Är målet för ens intresse att fokusera på det synliga ljuset är termen visuell luminositet. Solen sänder ut merparten av sin energi i det synliga spektret. En het stjärna sänder ut merparten av energin i kortare våglängder, vilket gör att vi uppfattar stjärnan som blåaktig. En stor del av energin sänds i våglängder som vi inte kan uppfatta med våra ögon – i ultraviolett. Situationen är det motsatta med en sval stjärna. Vi uppfattar den rödaktig och den sänder ut en stor del av energin i det infraröda spektret.

Trappist-1-systemet får åter utgöra modell för jämförelser. Stjärnan, Trappist-1, är en liten, väldigt sval stjärna. En brun dvärg, något större än planeten Jupiter. Den har en bolometrisk luminositet på 0,000525L(sol) och en visuell luminositet på 0,00000373L(sol). Det betyder att den ”beboeliga zonen” finns väldigt nära stjärnan. Det är också där man hittat planeter. Vi ser i bilden ovan att de planeter man hittat finns alla långt närmare Trappist-1 än Merkurius’ avstånd till solen.

I bilden nedan jämförs solsystemets inre planeter med planeterna kring Trappist-1.  En AU, en astronomisk enhet, är avståndet mellan Solen och Jorden. Det är en väldigt användbar avståndsenhet i detta sammanhang när vi ska jämföra främmande förhållanden med de förhållanden vi har på Jorden.

Väljer vi att beräkna energin från Trappist-1 använder vi oss av den bolometriska luminositeten, 0,000525L(sol), som berättar att stjärnan sänder ut 0,0525% av den mängd energi Solen sänder ut. Att Trappist_1b ligger endast 0,011AU från stjärnan betyder att avståndet är endast 1,1% av avståndet mellan Jorden och Solen. Eftersom energiflödets intensitet avtar med kvadraten på avståndet (Dubbelt så långt bort ska energin spridas på ett område som är fyra gånger så stort) kan vi beräkna energiflödet på planeten Trappist-1b enligt följande: 0,000525/0,011²=4,34. Med andra ord får den planeten över fyra gånger så mycket energi från Trappist-1 som vi får från Solen.

Ser vi å andra sidan enbart till utstrålningen i form av synligt ljus bör vi använda oss av stjärnans visuella luminositet, som från Trappist-1 är 0,000373% av den mängd synligt ljus som Solen utstrålar. Beräkningen är i övrigt identisk: 0,00000373/0,011²=0,03. Med andra ord får Trappist-1b bara 3% av den mängd synligt ljus vi är vana med från Jorden trots att den mottar över fyra gånger så mycket energi. Bortsett från atmosfäriska egenskaper skulle det på Trappist-1b vara varmare än på Venus men mörkare än på Jupiter. Påminner vi oss om att Rosetta inte fick tillräckligt med energi från sina solpaneler när hon låg nära Jupiters omloppsbana, berättar det att det tål att tänkas över innan vi klassificerar en planet som beboelig, så som vi ser det. Vi vet ju också att Venus, på grund av egenskaperna hos dess atmosfär, är betydligt varmare än vad uträkningar baserade endast på Solens utstrålning och avståndet mellan Solen och Venus skulle visa.

En stor del av energin från Trappist-1 ligger i det infraröda spektret. Det betyder svårigheter för det liv vi känner till att utvecklas på någon av planeterna i det systemet. Det är å andra sidan troligt att det liv som skulle finnas där skulle ha svårigheter att utvecklas på Jorden.

Vilken av planeterna i Trappist-1-systemet skulle du finna som den bästa kandidaten när det gäller goda förhållanden för någon form av liv? och – Vad gör att den nyligen upptäckta LHS 1140b anses vara den bästa kanditaten som hittills hittats?

Läs också Hur lik jorden är en ”jordlik” planet?

Jan är lärare i matematik och vetenskapliga tillvalsämnen på Sursik skola i Pedersöre, Finland. Att ta in världsrymden i klassrummet ger ofta, åtminstone, ett delsvar på frågan ”Varför?”, en fråga som hörs rätt ofta i samband med matematikundervisningen. Att dryfta stora frågor ger nyfikenheten näring, vilket i sin tur är en av nyckelingredienserna till framgång.