Het laatste onderzoek van de Universiteit van Washington in de Verenigde Staten wijst erop dat veel exoplaneten die voorheen als 'bewoonbare kandidaten' werden beschouwd, zelfs als ze zich in de bewoonbare zone van hun sterren bevinden en oppervlaktetemperaturen hebben die geschikt zijn voor het bestaan van vloeibaar water, nog steeds zeer waarschijnlijk volledig ongeschikt zijn voor leven als ze te droog zijn.
Het onderzoeksteam ontdekte dat voor een rotsachtige planeet die qua grootte vergelijkbaar is met de aarde, het oppervlaktewatervolume ten minste ongeveer 20% tot 50% moet bedragen van het totale volume van de oceanen van de aarde. Dit betekent dat een groot aantal zogenaamde "woestijnplaneten" - zelfs als hun banen zich in de "precies goede" positie bevinden - waarschijnlijk verre van geschikt zijn om het leven te ondersteunen in termen van watervoorraden.
Tot op heden hebben astronomen meer dan 6.000 exoplaneten bevestigd, en er wordt verwacht dat er in de hele Melkweg miljarden soortgelijke objecten zullen bestaan. Een aanzienlijk deel ervan valt binnen de bewoonbare zone van de ster, waar de temperaturen theoretisch gezien het bestaan van vloeibaar water mogelijk maken. Het team van de Universiteit van Washington benadrukt echter dat 'op de juiste plek' zijn slechts een deel van de vergelijking is; de planeet heeft nog steeds behoefte aan een stabiel klimaatreguleringsmechanisme voor de lange termijn, en dit hangt grotendeels af van hoe water interageert met de lithosfeer en de atmosfeer.
Haskell White-Giannella, de eerste auteur van het artikel en een doctoraalstudent in aard- en ruimtewetenschappen, zei dat we bij het zoeken naar leven in het uitgestrekte universum en beperkte observatiebronnen moeten leren sommige planetaire doelen op een gerichte manier te ‘screenen’. Deze studie richt zich op dorre planeten met extreem lage oppervlaktewaterreserves, veel minder dan de hele oceaan van de aarde, om te beoordelen of ze daadwerkelijk bewoonbaar zijn.
De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het Planetary Science Journal. De kern ligt in het sleutelproces van de planetaire geologische koolstofcyclus. Op aarde verplaatst deze door water aangedreven cyclus koolstof tussen de atmosfeer en het binnenste van de planeet gedurende miljoenen jaren, waardoor de oppervlaktetemperaturen op aarde worden gereguleerd.
Op aarde laten vulkanen kooldioxide vrij in de atmosfeer, dat vervolgens oplost in regenwater. Regenwater reageert chemisch met oppervlaktegesteenten, en rivieren transporteren koolstofhoudende materialen naar de oceaan, waar ze op de zeebodem worden afgezet. Samen met de tektonische bewegingen van de platen werd de koolstofrijke oceaankorst onder de continenten weggezakt, en tijdens processen zoals het bouwen van bergen werd koolstof gedurende een lange periode weer naar de oppervlakte gebracht.
Als een planeet echter niet genoeg water heeft om gestage en wijdverbreide regenval te ondersteunen, valt deze koolstofcyclus-thermostaat uiteen. Naarmate de neerslag en verwering verzwakken, neemt de efficiëntie waarmee kooldioxide uit de atmosfeer wordt "getrokken" aanzienlijk af, terwijl de vulkanische uitstoot doorgaat. Het resultaat is dat koolstofdioxide in de atmosfeer zich blijft ophopen, het broeikaseffect wordt versterkt, de temperatuur verder stijgt en het resterende water versneld verdampt, waardoor uiteindelijk een vicieuze cirkel ontstaat die het oppervlak van de planeet te heet en onbewoonbaar maakt.
White-Giannella wees erop dat dit betekent dat zelfs droge, aardeachtige planeten in de bewoonbare zone hoogstwaarschijnlijk geen ideale doelen zijn voor het zoeken naar leven. De studie herinnert er ook aan dat in eerder theoretisch werk het mechanisme van de koolstofcyclus op dorre planeten relatief weinig systematisch onderzocht is, wat mensen te optimistisch kan maken over het bewoonbare potentieel van ‘woestijn-exoplaneten’.
Omdat directe observatie van rotsachtige exoplaneten nog steeds uiterst moeilijk is, vertrouwen wetenschappers vaak op numerieke simulaties om hun klimaatevolutie op lange termijn en de kenmerken van de watercyclus te onderzoeken. In dit werk verbeterde het onderzoeksteam het bestaande koolstofcyclusmodel, herkarakteriseerde het belangrijke processen zoals verdamping en neerslag, vooral voor droge omgevingen, en introduceerde het factoren die in het verleden vaak werden genegeerd, zoals de impact van windvelden op de distributie van waterdamp en de verdampingsefficiëntie.
Joshua Krissanson-Totten, co-auteur van het artikel en assistent-professor bij de afdeling Aard- en Ruimtewetenschappen van de Universiteit van Washington, zei dat dit soort verfijnde, op mechanismen gebaseerde koolstofcyclusmodellen oorspronkelijk werden gebruikt om de klimaatevolutie en temperatuurregulatie van de aarde in haar lange geologische geschiedenis te begrijpen, en dat het nu wordt uitgebreid naar de studie van exoplaneten. De nieuwe resultaten laten zien dat zelfs als een dorre planeet in de beginfase een bepaalde hoeveelheid oppervlaktewater heeft, deze een grote kans heeft om water te verliezen als gevolg van een onbalans in de koolstofcyclus in de latere stadia, en evolueert van een potentieel bewoonbare wereld naar een hete en onbewoonbare ‘onevenwichtige planeet’.
Het onderzoek richtte zijn aandacht ook op een ‘natuurlijk experiment’ dat heel dichtbij is: Venus. Venus is qua grootte vergelijkbaar met de aarde en ontstond rond dezelfde tijd, en sommige modellen suggereren zelfs dat er in haar begindagen mogelijk evenveel water was als de aarde. Tegenwoordig is de oppervlaktetemperatuur van Venus echter vergelijkbaar met die van een houtgestookte pizzaoven, en de oppervlaktedruk is zo hoog dat "het voelt alsof tien blauwe vinvissen er tegelijkertijd op drukken."
De wetenschappelijke gemeenschap heeft lang gediscussieerd over de reden waarom de aarde en Venus een compleet ander evolutionair pad zijn ingeslagen. White-Giannella en Crisanson-Totten stelden voor dat Venus mogelijk vroegtijdig een onbalans in de koolstofcyclus en een op hol geslagen broeikaseffect heeft veroorzaakt, omdat het dichter bij de zon stond en aanvankelijk een iets lagere hoeveelheid water had. Terwijl kooldioxide zich blijft ophopen in de atmosfeer en de temperatuur geleidelijk stijgt, gaat uiteindelijk een grote hoeveelheid water verloren en verliest leven, als het ooit heeft bestaan, zijn leefgebied.
In de komende jaren wordt verwacht dat meerdere missies naar Venus dit ‘zusterplaneet-mysterie’ zullen beantwoorden en de belangrijkste gevolgtrekkingen van het hierboven genoemde koolstofcyclusmodel zullen testen. White-Giannella is van mening dat, hoewel het voor mensen vrijwel onmogelijk is om binnen afzienbare tijd op het oppervlak van een echte exoplaneet te landen, Venus - "de dichtstbijzijnde analoog van aardachtige exoplaneten" - een uniek venster biedt.
Het onderzoeksteam verwacht dat de gegevens van deze missies zullen helpen het theoretische raamwerk van de onevenwichtigheid van de koolstofcyclus op dorre planeten te verifiëren, en kunnen worden gebruikt om de atmosferische kenmerken en evolutionaire toestanden van verre exoplaneten te interpreteren. Krissanson-Totten merkte op dat dit onderzoek belangrijke implicaties heeft voor de manier waarop we de ‘echte inventaris’ van potentieel bewoonbare planeten in het universum beoordelen. Veel doelen die ooit ruwweg werden geclassificeerd als "bewoonbare kandidaten" zullen waarschijnlijk opnieuw worden geclassificeerd onder strengere criteria op het gebied van watergehalte en koolstofcyclus.