Προσδιορίζοντας το αστρικό περιβάλλον ακτινοβολίας

Τι έχουμε διδαχθεί από τον Ήλιο ;

Από την απαρχή του ανθρώπινου είδους, το ερώτημα σχετικά με το αν είμαστε μόνοι μας σε ολόκληρο το σύμπαν έχει γοητεύσει την ανθρωπότητα. Η πρόσφατη ανακάλυψη πλανητών που εντοπίστηκαν γύρω από άλλα αστέρια (εξωπλανήτες), καθώς και ο εξαιρετικά μεγάλος αριθμός αυτών (>4000) παρέχουν, σήμερα, σημαντικότατη ώθηση στην επιστημονική αντιμετώπιση του ερωτήματος αυτού. Επιπρόσθετα, αποστολές της NASA και της ESA, όπως το Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), και οι επερχόμενες James Webb Space Telescope (JWST), Characterizing ExOPlanet Satellite (CHEOPS), PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO), Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-Survey (ARIEL) όπως και το Ευρωπαϊκό Extremely Large Telescope (E-ELT) θα παρέχουν δεδομένα που θα αντιμετωπίζουν αυτό το κρίσιμο ερώτημα μέσα στις μόλις επόμενες δεκαετίες. Συνεπώς βρισκόμαστε μπροστά σε ένα επικείμενο πλήθος αλλαγών που μπορούν και πρέπει να αλλάξουν το τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τη θέση μας στην αλυσίδα της εξέλιξης της ζωής.

Εικόνα 1:Χρονική εξέλιξη αποστολών που επικεντρώνονται σε εξωπλανήτες. ] (Credit: European Space Agency – ESA; https://sci.esa.int/web/exoplanets/-/60649-exoplanet-mission-timeline)

Αυτή τη στιγμή δεν είναι γνωστό πότε άρχισε η ζωή στη Γη και ενδεχομένως εάν υπήρξε ζωή στον Άρη, την Αφροδίτη και αν μπορεί να υπάρξει ζωή στους εξωπλανήτες. Γνωρίζουμε, ωστόσο, ότι γύρω από τον κύριο αστέρα ενός συστήματος υπάρχει μια περιοχή όπου νερό σε υγρή μορφή μπορεί να διατηρηθεί στην επιφάνεια ενός πλανήτη – στοιχείο που αποτελεί το βασικό συστατικό της ζωής όπως τη γνωρίζουμε. Οι περιοχές αυτές ονομάζονται κατοικήσιμες ζώνες. Συνεπώς, αν κάποιος ψάχνει για ίχνη ζωής θα πρέπει να εντοπίσει την έρευνά του σε αυτές ακριβώς τις ζώνες. Παρόλα αυτά, πρόσφατες μελέτες, έχουν δείξει ότι η μαγνητική δραστηριότητα του αστέρα του (εξω)πλανητικού συστήματος καθώς και τα προϊόντα αυτής, οι “καιρικές” συνθήκες που επικρατούν στον διαπλανητικό χώρο, διαδραματίζουν σημαντικότατο ρόλο ως προς την πιθανή κατοικησιμότητα εξωπλανητών.

Επομένως, το βασικό ερώτημα είναι: μπορεί η επιστήμη της ηλιοφυσικής με τις μεθοδολογίες και τα μοντέλα που έχει αναπτύξει για να περιγράψει τις επιπτώσεις των ηλιακών εκρηκτικών γεγονότων (ηλιακών εκλάμψεων, στεμματικών εκτινάξεων μάζας) και των συνεπακόλουθων ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων, στην Αφροδίτη, τη Γη και τον Άρη να επεκταθεί για να αντιμετωπίσει τις αναμενόμενα ακραίες συνθήκες του περιβάλλοντος ακτινοβολίας που αντιμετωπίζουν οι εξωπλανήτες γύρω από τους νέους ενεργούς νάνους τύπου G, K και M;

Από τη συνεχή παρακολούθηση του Ήλιου και του διαπλανητικού περιβάλλοντος αυτού, τα τελευταία 40 χρόνια, η επιστημονική κοινότητα πλέον γνωρίζει ότι υπάρχει άμεση εξάρτηση του αριθμού των ηλιακών κηλίδων στην επιφάνεια του Ήλιου, του αριθμού των ηλιακών ενεργητικών γεγονότων, των ισχυρών ηλιακών εκλάμψεων και των γρήγορων στεμματικών εκτινάξεων μάζας (Papaioannou et al., 2016) που απορρέει από τη απελευθέρωση συσσωρευμένης μαγνητικής ενέργειας από τον Ήλιο (Vlahos et al., 2019). Προκειμένου να συνδεθούν τα χαρακτηριστικά των ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων με αυτά των υποκείμενων εκρηκτικών ηλιακών γεγονότων, η επιστημονική κοινότητα υλοποιεί εμπειρικές και ημι-εμπειρικές στατιστικές σχέσεις μεταξύ αυτών. Συνεπώς γνωρίζουμε, σήμερα, ότι υπάρχει μια γραμμική σχέση ανάμεσα στο μέγεθος των ισχυρών ηλιακών εκλάμψεων και τη μέγιστη ροή πρωτονίων (Cliver et al., 2012).

Εικόνα 2: Ο Ήλιος, τα εκρηκτικά γεγονότα αυτού (ηλιακές εκλάμψεις [solar flares], στεμματικές εκτινάξεις μάζας [coronal mass ejection]) και η έλευση των συνεπακόλουθων ηλιακών ενεργητικών γεγονότων [proton flux]. (Credit: K.Herbst από διάφορες εικόνες NASA/ESA; προσαρμογή από Α. Παπαϊωάννου)

Εξαιτίας του γεγονότος ότι από τα δεδομένα της αποστολής Kepler έχουν ανιχνευθεί πολλές (> 1000) υπερ-εκλάμψεις (δηλαδή ηλιακές εκλάμψεις 10 έως ~ 104 φορές πιο ενεργητικές σε σχέση με τις μεγαλύτερες ηλιακές εκλάμψεις που έχουν καταγραφεί ποτέ στον Ήλιο) (Maehara et al 2012; Shibayama et al., 2013, Notsu et al., 2019), οι εμπειρικές σχέσεις συσχέτισης ηλιακών εκλάμψεων και αναμενόμενων ροών πρωτονίων γίνονται εξαιρετικά σημαντικές για τις μελέτες του εξωπλανητικού περιβάλλοντος ακτινοβολίας (Herbst et al., 2019a).

Ειδικότερα, χρησιμοποιώντας τέτοιες εμπειρικές σχέσεις, μια πρόσφατη μελέτη κατέδειξε ότι μια υπέρ-έκλαμψη από τον αστέρα AD Leonis μπορεί να οδηγήσει σε ροές πρωτονίων 10 έως 107 φορές μεγαλύτερες σε σχέση με την ισχυρότερη ροή πρωτονίων που έχουμε καταγράψει στην Γη: το γεγονός του Carrington (Cliver & Dietrich, 2013). Ενώ η χαμηλότερη εκτίμηση (10 φορές) μπορεί να συγκριθεί με το αποτέλεσμα ακραίων ηλιακών συμβάντων που καταγράφηκαν σε επίγεια κοσμογονικά αρχεία ραδιονουκλεϊδίων (Miyake et al., 2012, 2013, Mekhaldi et al., 2015) και άρα θα οδηγούσε σε ανεκτά επίπεδα ακτινοβολίας, η ανώτερη εκτίμηση (107 φορές) θα είχε δραματικές συνέπειες για εξωπλανήτες στην κατοικήσιμη ζώνη τέτοιων ισχυρών αστεριών (Herbst et al., 2019a).

Εικόνα 3: Χρησιμοποιώντας τη γνώση που έχουμε αποκομίσει από τον Ήλιο (εικόνα στα αριστερά) μπορούμε να εκτιμήσουμε την αναμενόμενη ροή πρωτονίων (εικόνα στο κέντρο) σε εξωπλανήτες και συνεπώς να ποσοτικοποιήσουμε την επίδραση των άστρων (εικόνα στα δεξιά) αυτών των συστημάτων.
(Credit: Α. Παπαϊωάννου, προσαρμοσμένο από εικόνες της NASA)

Ο προσδιορισμός του αστρικού περιβάλλοντος ακτινοβολίας, χαρακτηρίζεται από πολυπλοκότητα και αβεβαιότητα, ενώ συνεπάγεται και μια σειρά αλληλένδετων προεκτάσεων ως προς την δυνατότητα κατοικησιμότητας των εξωπλανητών. Ειδικότερα, μια επικίνδυνη ροή αστρικών ενεργητικών σωματιδίων μπορεί να επηρεάσει την ατμοσφαιρική εξέλιξη, το κλίμα, τη φωτοχημεία (Grenfell et al., 2012, Scheucher et al., 2018, Herbst et al., 2019b) καθώς και τη δόση ατμοσφαιρικής ακτινοβολίας που εξαρτάται από το υψόμετρο (Atri, 2017) ενός εξωπλανήτη. Επιπρόσθετα η επίδραση των σωματιδίων υψηλής ενέργειας σε ατμόσφαιρες που κυριαρχούνται από το CO2, το H2 και το H2O και η επιρροή αυτών στις βιοσυνθέσεις και το κλίμα είναι ένα νεοεμφανιζόμενο θέμα στην επιστήμη των εξωπλανήτων. Συνεπώς, η λεπτομερής γνώση του αντίκτυπου του αστρικού περιβάλλοντος ακτινοβολίας στην (εξω) πλανητική ατμοσφαιρική χημεία, το κλίμα και το επαγόμενο πεδίο ακτινοβολίας ατμοσφαιρικών σωματιδίων είναι κρίσιμης σημασίας για την εκτίμηση της κατοικησιμότητάς του. Για το λόγο αυτό, συγκροτήθηκε μια Διεθνής Ομάδα ειδικών επιστημόνων που θα προσπαθήσει, μέσα στα επόμενα δυο χρόνια, να απαντήσει τα καίρια αυτά ερωτήματα και να θέσει τις βάσεις για περαιτέρω ενδελεχής μελέτες σε αυτόν τον αναδυόμενο τομέα έρευνας.

Εικόνα 4: Η Διεθνής Ομάδα που θα προσπαθήσει να δώσει απαντήσεις αναφορικά με τους φυσικούς μηχανισμούς που διέπουν την κατοικησιμότητα των εξωπλανητών, στην πρώτη της συνάντηση στο Διεθνές Κέντρο Διαστημικών Σπουδών στη Βέρνη της Ελβετίας. (Credit: Α. Παπαϊωάννου, K. Herbst, προσαρμοσμένο από την αρχική φωτογραφία του S. F. Saliba (ISSI))

 

Σχετικές Δημοσιεύσεις

Herbst K., Papaioannou A., Banjac S. Heber B. (2019a) From solar to stellar flare characteristics. On a new peak size distribution for G-, K-, and M-dwarf star flares, Astron. Astrophys. DOI: 10.1051/0004-6361/201832789

Herbst K., Grenfell J. L., Sinnhuber M., Rauer H., Heber B., Banjac S., Scheucher M., Schmidt V., Gebauer S., Lehmann R., Schreier F. (2019b) A new model suite to determine the influence of cosmic rays on (exo)planetary atmospheric biosignatures, Astron. Astrophys. DOI: 10.1051/0004-6361/201935888

 

 

 

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ