Terletak di jantung Pusat Simulasi Iklim NASA (NCCS) - bagian dari Pusat Penerbangan Antariksa Goddard NASA - adalah superkomputer Discover, sebuah klaster 129.000 inti prosesor berbasis Linux. Superkomputer ini, yang mampu melakukan 6,8 petaflops (6,8 triliun) operasi per detik, ditugaskan menjalankan model iklim canggih untuk memprediksi seperti apa iklim Bumi di masa depan.
Namun, NCCS juga telah mulai mendedikasikan beberapa kekuatan superkomputer dari Discover untuk memprediksi kondisi seperti apa pada lebih dari 4.000 planet yang ditemukan di luar Tata Surya kita. Simulasi ini tidak hanya menunjukkan bahwa banyak dari planet-planet ini dapat dihuni, tetapi juga bukti lebih lanjut bahwa gagasan kami tentang “kelayakhunaan” dapat menggunakan pemikiran ulang.
Terlepas dari banyaknya penemuan planet ekstrasurya yang telah terjadi dalam dekade terakhir ini, para ilmuwan masih dipaksa untuk bergantung pada model iklim untuk menentukan di antara mereka yang bisa "berpotensi dihuni." Saat ini, menjelajahi planet-planet ini melalui pesawat ruang angkasa benar-benar tidak praktis karena jarak yang jauh.
Seperti yang kami bahas dalam artikel sebelumnya, akan membutuhkan waktu antara 19.000 dan 81.000 tahun untuk mencapai sistem bintang terdekat (Alpha Centauri) menggunakan metode dan teknologi saat ini. Selain itu, pengamatan langsung terhadap exoplanet hanya dimungkinkan dalam kasus yang jarang menggunakan teleskop saat ini, yang biasanya melibatkan planet-planet besar yang mengorbit bintang-bintang mereka pada jarak yang sangat jauh. Planet-planet ini cenderung menjadi raksasa gas, dan karenanya bukan kandidat untuk layak huni.
Bagaimanapun, para astronom telah menemukan bahwa semua planet yang telah diamati di luar Tata Surya kita bersifat sangat eklektik. Sebagian besar, 4.108 exoplanet yang telah dikonfirmasi hingga saat ini adalah raksasa gas seperti Neptunus (1375), raksasa gas seperti Jupiter (1293), atau Super-Earths (1273). Hanya 161 exoplanet telah terestrial (alias. Berbatu atau "mirip Bumi") di alam, semuanya ditemukan di sekitar bintang tipe-M (kurcaci merah).
Seperti Elisa Quintana - astrofisika NASA Goddard yang memimpin tim yang bertanggung jawab atas penemuan Kepler-186f 2014, planet seukuran Bumi pertama di zona layak huni (HZ) - menjelaskan:
“Untuk waktu yang lama, para ilmuwan benar-benar fokus untuk menemukan sistem seperti Matahari dan Bumi. Hanya itu yang kami tahu. Tapi kami menemukan bahwa ada seluruh keragaman gila di planet ini. Kami menemukan planet sekecil Bulan. Kami menemukan planet raksasa. Dan kami menemukan beberapa yang mengorbit bintang kecil, bintang raksasa dan banyak bintang. "
Penemuan planet terestrial yang mengorbit di dalam HZ kerdil merah pada awalnya merupakan sumber kegembiraan besar. Tidak hanya bintang-bintang ini yang paling umum di Alam Semesta kita - terhitung 85% bintang di Bima Sakti saja - tetapi beberapa telah ditemukan untuk mengorbit bintang-bintang yang dekat dengan Tata Surya.
Ini termasuk tiga planet yang mengorbit dalam HZ TRAPPIST-1 (39,46 tahun cahaya) dan Proxima b, planet ekstrasuret terdekat ke Bumi (4,24 tahun cahaya). Sayangnya, banyak penelitian telah dilakukan dalam beberapa tahun terakhir yang mengindikasikan bahwa planet-planet ini akan mengalami kesulitan mempertahankan atmosfer yang layak dari waktu ke waktu.
Sederhananya, fakta bahwa mereka lebih kecil dan lebih dingin berarti bahwa katai merah memiliki HZ yang jauh lebih dekat dengan permukaan mereka. Ini berarti bahwa setiap planet yang mengorbit dengan HZ kerdil merah cenderung terkunci secara tidal dengan mereka, yang berarti satu sisi terus-menerus menghadap ke arah bintang dan pada ujung penerima dari semua panas, radiasi, dan angin matahari bintang.
Apakah planet-planet ini dapat dihuni atau tidak karena itu tergantung pada sejumlah faktor, seperti keberadaan atmosfer yang padat, keberadaan magnetosfer, dan kelimpahan bahan kimia yang tepat. Sebagai pengganti dapat melihat planet secara langsung dan memastikan bahan-bahan ini untuk kehidupan (alias. Biosignatures) ada, para ilmuwan bergantung pada model iklim untuk membantu dalam pencarian planet ekstrasurya yang "berpotensi dihuni".
Menurut Karl Stapelfeldt, kepala ilmuwan eksoplanet NASA yang berbasis di Jet Propulsion Laboratory, kemampuan untuk memodelkan iklim di planet lain sangat penting. untuk masa depan eksplorasi ruang angkasa "Model-model ini membuat prediksi spesifik dan dapat diuji dari apa yang harus kita lihat," katanya. "Ini sangat penting untuk merancang teleskop masa depan kita dan mengamati strategi."
Sederhananya, pemodelan iklim melibatkan menciptakan simulasi seperti apa iklim Bumi (atau planet lain) berdasarkan pada kondisi spesifik dan / atau perubahan lingkungan. Selama bertahun-tahun, pekerjaan ini dilakukan oleh Anthony Del Genio, ilmuwan iklim planet yang baru saja pensiun di Institut Goddard untuk Studi Antariksa NASA. Selama karirnya, Del Genio melakukan simulasi iklim yang melibatkan Bumi dan planet lainnya (termasuk Proxima b).
Untuk rekap, Proxima b kira-kira berukuran sama dengan Bumi dan setidaknya 1,3 kali lebih besar. Ia mengorbit bintangnya (Proxima Centauri) sekali setiap 11,2 hari Bumi dan pada jarak 0,05 AU (5% jarak antara Bumi dan Matahari). Pada jarak ini, planet ini kemungkinan terkunci secara gravitasi ke bintangnya, dengan satu sisi terus-menerus terpapar radiasi intens bintang sementara yang lain mengalami kegelapan konstan dan suhu beku.
Namun, tim Del Genio baru-baru ini mensimulasikan kemungkinan iklim pada Proxima b lagi untuk menguji melihat berapa banyak yang akan menghasilkan lingkungan yang hangat dan basah yang mampu mendukung kehidupan. Yang cukup menarik, simulasi ini menunjukkan bahwa planet-planet seperti Proxima b sebenarnya bisa dihuni meskipun terkunci secara tidal dan semua radiasi yang satu sisi terpapar.
Untuk melakukan simulasi ini, tim Del Genio menggunakan superkomputer Discover untuk menjalankan simulator planet yang mereka kembangkan sendiri - disebut ROCKE-3D. Simulator ini didasarkan pada versi model iklim Bumi yang pertama kali dikembangkan pada 1970-an yang mereka perbarui sehingga dapat mensimulasikan iklim di planet lain, sebagian berdasarkan pada jenis orbit yang mungkin mereka miliki dan komposisi atmosfernya.
Untuk setiap simulasi, tim Del Genio memvariasikan kondisi pada Proxima b untuk melihat bagaimana pengaruhnya terhadap iklimnya. Ini termasuk menyesuaikan jenis dan jumlah gas rumah kaca di atmosfernya, kedalaman, ukuran, dan salinitas lautnya, dan perbandingan tanah dengan air. Dari ini, mereka dapat melihat bagaimana awan dan lautan akan bersirkulasi dan bagaimana radiasi dari matahari planet akan berinteraksi dengan atmosfer dan permukaan Proxima b.
Apa yang mereka temukan adalah bahwa lapisan awan hipotetis Proxima akan bertindak sebagai perisai, menangkis radiasi matahari dari permukaan dan menurunkan suhu di sisi Proxima b yang menghadap ke matahari. Ini konsisten dengan penelitian yang dilakukan oleh para ilmuwan Penjual Kolaborasi Lingkungan Exoplanet (SEEC) di NASA Goddard yang menunjukkan bagaimana Proxima b dapat membentuk awan begitu besar sehingga mereka akan menutupi seluruh langit.
Seperti Ravi Kopparapu, ilmuwan planet NASA Goddard yang juga memodelkan iklim potensial dari planet ekstrasurya, menjelaskannya:
"Jika sebuah planet terkunci secara gravitasi dan berputar perlahan pada sumbunya, lingkaran awan terbentuk di depan bintang, selalu menunjuk ke arahnya. Ini karena gaya yang dikenal sebagai efek Coriolis, yang menyebabkan konveksi pada lokasi di mana bintang memanaskan atmosfer. Pemodelan kami menunjukkan bahwa Proxima b bisa terlihat seperti ini. "
Seiring dengan sirkulasi lautan, lingkaran awan ini juga akan berarti bahwa udara dan air hangat dapat bergerak ke sisi gelap planet, sehingga mencapai perpindahan panas dan membuat seluruh planet lebih ramah. “Jadi Anda tidak hanya menjaga atmosfer di sisi malam agar tidak membeku, Anda membuat bagian-bagian di sisi malam yang benar-benar menjaga air cair di permukaan, meskipun bagian-bagian itu tidak melihat cahaya,” kata Del Genio.
Selain mengedarkan dan mempertahankan panas, atmosfer dan arus laut juga bertanggung jawab untuk mendistribusikan gas dan elemen kimia yang diperlukan untuk kehidupan seperti yang kita kenal - misalnya. gas oksigen, karbon dioksida, metana, dll. Ini dikenal sebagai “biosignatures” karena keduanya penting untuk kehidupan di Bumi atau terkait dengan proses biologis.
Namun, "seperti yang kita ketahui" adalah kata kunci di sini. Saat ini, Bumi tetap satu-satunya planet yang dapat dihuni yang diketahui dan berbagai bentuk kehidupan yang didukungnya adalah satu-satunya contoh yang kita kenal. Dengan demikian, mencari kehidupan di luar Bumi saat ini terbatas untuk mencari biosignatures yang diperlukan untuk (dan terkait dengan yang diketahui) bentuk kehidupan. Ini adalah apa yang kita sebut "pendekatan buah rendah menggantung."
Terlebih lagi, Bumi telah berevolusi jauh selama beberapa miliar tahun terakhir, seperti halnya bentuk kehidupan yang menyebutnya rumah. Sedangkan hari ini, gas oksigen sangat penting bagi makhluk mamalia, itu akan menjadi racun bagi bakteri fotosintesis yang berkembang di atmosfer yang didominasi karbon dioksida dan gas nitrogen yang ada di Bumi miliaran tahun yang lalu.
Jadi, sementara pemodelan semacam ini tidak dapat mengatakan dengan pasti jika sebuah planet dihuni, tentu saja dapat membantu mempersempit pencarian dengan menunjukkan kandidat mana yang menjanjikan target untuk pengamatan tindak lanjut. “Meskipun pekerjaan kami tidak dapat memberi tahu pengamat apakah ada planet yang layak huni atau tidak, kami dapat memberi tahu mereka apakah ada planet yang menampar calon yang baik untuk ditelusuri lebih lanjut,” kata Del Genio.
Ini akan sangat membantu di tahun-tahun mendatang ketika teleskop generasi berikutnya turun ke angkasa. Ini termasuk James Webb Space Telescope, yang dijadwalkan diluncurkan pada 2021, dan Wide-Field Infrared Space Telescope (WFIRST), yang akan diluncurkan pada 2023. Bersamaan dengan observatorium berbasis darat seperti Extremely Large Telescope (ELT), ini instrumen akan memungkinkan para ilmuwan untuk secara langsung mengamati planet yang lebih kecil untuk pertama kalinya.
Coronographs seperti Starshade juga akan membuat perbedaan besar dengan menenggelamkan cahaya dari bintang-bintang, yang sebaliknya mengaburkan cahaya yang dipantulkan dari atmosfer planet. Perkembangan ini dan lainnya berarti bahwa para astronom akan dapat mempelajari atmosfer planet ekstrasurya berbatu juga, yang akan memungkinkan mereka akhirnya mengatakan dengan percaya diri planet mana yang "berpotensi dihuni".
Pastikan untuk melihat animasi ini tentang seperti apa iklim Proxima b, dari tim Del Genio dan NASA Goddard Space Flight Center:
