Μέχρι το τέλος του 2022 είχαν ανακαλυφθεί πάνω από 5000 εξωπλανήτες. Οι 375 από αυτούς βρίσκονται στην «κατοικήσιμη ζώνη», δηλαδή έχουν την κατάλληλη απόσταση από το μητρικό τους άστρο ώστε να μπορεί να υπάρξει στην επιφάνειά τους νερό σε υγρή μορφή. Αρκετοί από αυτούς εμφανίζουν ομοιότητες με τη Γη, έχουν παρόμοια μάζα, στερεή επιφάνεια και εμφανή ατμόσφαιρα. Αυτά τα κριτήρια, όμως, δεν εξασφαλίζουν απαραίτητα ότι οι πλανήτες είναι κατάλληλοι για την ανάπτυξη ή την διατήρηση της ζωής.
Συχνά, παρά τα ορισμένα κοινά τους χαρακτηριστικά με τη Γη, οι συνθήκες που επικρατούν σε αυτούς είναι εκ διαμέτρου αντίθετες. Ένα οικείο σε εμάς παράδειγμα είναι η Αφροδίτη, η οποία για το μεγαλύτερο μέρος της ανθρώπινης ιστορίας καλούνταν «δίδυμος πλανήτης» της Γης, ενώ σήμερα γνωρίζουμε ότι οι θερμοκρασίες και οι πιέσεις που αναπτύσσονται στην επιφάνειά της είναι απαγορευτικές για τους ζωντανούς οργανισμούς. Πώς μπορούμε λοιπόν να γνωρίζουμε εάν οι συνθήκες που επικρατούν σε έναν εξωπλανήτη που παρατηρούμε προσεγγίζουν αυτές της Γης ή της Αφροδίτης;
Εικόνα: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech
Βασικό κριτήριο για να απαντηθεί αυτή η ερώτηση είναι η μορφή και η σύσταση της ατμόσφαιρας του εξωπλανήτη. Σήμερα, οι μέθοδοι παρατήρησης που μπορούν να μας δώσουν αυτές τις πληροφορίες είναι αποτελεσματικές κυρίως σε αέριους εξωπλανήτες, με πολύ παχιά ατμόσφαιρα. Όμως, εφαρμόζονται πιο δύσκολα σε πλανήτες με στερεή επιφάνεια και λεπτή ατμόσφαιρα, όπως η Γη. Η ανάπτυξη βελτιωμένων μεθόδων και τεχνικών είναι απαραίτητη για τη διάκριση και τη μελέτη μικρών «κατοικήσιμων» εξωπλανητών.
Ερευνητές από το Ολλανδικό Ινστιτούτο Διαστημικής Έρευνας κατασκεύασαν μοντέλα, ώστε να αναπτύξουν τα κατάλληλα εργαλεία και μεθόδους για την ταξινόμηση τέτοιων εξωπλανητών ανάλογα με τη χημική σύσταση της ατμόσφαιράς τους. Συγκεκριμένα, σκοπεύουν να αξιοποιήσουν μετρήσεις της πόλωσης του φωτός του μητρικού άστρου, καθώς αυτό διέρχεται από την ατμόσφαιρα του εξωπλανήτη. Η μελέτη πρόκειται να δημοσιευτεί στο επιστημονικό περιοδικό Astronomy and Astrophysics.
Για την ανάπτυξη των μοντέλων, οι ερευνητές στηρίχθηκαν σε δεδομένα από την Αφροδίτη, αξιοποιώντας τις ομοιότητες και τις διαφορές της με τη Γη, αλλά και τη πολύ μικρή απόστασή της από εμάς, η οποία επιτρέπει εκτενείς και ακριβείς παρατηρήσεις της ατμόσφαιράς της.
Εικόνα: NASA
Συγκρίνοντας τη Γη και την Αφροδίτη, παρατηρούμε ότι οι δύο πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος δημιουργήθηκαν από τα ίδια υλικά, έχουν παρόμοια μάζα, ηλικία και απόσταση από τον Ήλιο, έχουν λεπτή, αλλά σημαντική, ατμόσφαιρα και στερεή επιφάνεια. Ωστόσο, μετά από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης, έχουν εντελώς διαφορετική μορφολογία και κλιματικές συνθήκες.
Η ατμόσφαιρα της Γης αποτελείται κυρίως από άζωτο και οξυγόνο, ενώ η ατμόσφαιρα της Αφροδίτης από διοξείδιο του άνθρακα, σε ποσοστό 96%. Η υψηλή περιεκτικότητα σε διοξείδιο του άνθρακα εντείνει το φαινόμενο του θερμοκηπίου, το οποίο οδηγεί στις ακραίες συνθήκες που επικρατούν στην επιφάνεια του πλανήτη. Η Αφροδίτη έχει μέση θερμοκρασία πάνω από 460οC και η πίεση στην επιφάνειά της είναι 92 φορές πιο ισχυρή από αυτή της Γης. Οι συνθήκες αυτές καθιστούν αδύνατη την ανάπτυξη και διατήρηση της ζωής, όπως την γνωρίζουμε στη Γη.
Βέβαια, η ατμόσφαιρα της Αφροδίτης δεν είχε πάντοτε τη σημερινή της μορφή. Θεωρείται ότι στα αρχικά στάδια της εξέλιξής της ήταν παρόμοια με τη γήινη ατμόσφαιρα. Με το πέρασμα του χρόνου, το φαινόμενο του θερμοκηπίου οδήγησε σε αλλαγές στη χημική σύσταση της ατμόσφαιρας και, συνεπώς, σε μεταβολή των κλιματικών συνθηκών του πλανήτη. Με ανάλογο τρόπο εξελίσσεται και μεταβάλλεται η ατμόσφαιρα σε κάθε πλανήτη που σχηματίζεται. Επομένως, οι ερευνητές δεν μπορούν να γνωρίζουν σε ποιο στάδιο της εξέλιξής του βρίσκεται κάποιος εξωπλανήτης που παρατηρούν. Για τον λόγο αυτόν κατασκεύασαν τέσσερα διαφορετικά μοντέλα, που αντιστοιχούν σε τέσσερα στάδια της εξέλιξης της Αφροδίτης, από το πρώτο, στο οποίο έμοιαζε αρκετά με τη Γη, μέχρι το τέταρτο, στο οποίο έχει λάβει τη σημερινή της μορφή.
Η μέθοδος στηρίζεται στην πόλωση του φωτός του μητρικού άστρου, καθώς αυτό διέρχεται από την ατμόσφαιρα του πλανήτη. Ο βαθμός πόλωσης του φωτός κυμαίνεται έντονα ανάλογα με τη γωνία παρατήρησης και το μήκος κύματος, χωρίς να εξαρτάται από τη ροή της ακτινοβολίας. Με κατάλληλες μετρήσεις, υπάρχει η δυνατότητα να προσδιοριστεί η σύσταση της ατμόσφαιρας ενός παρατηρούμενου εξωπλανήτη. Για παράδειγμα, στο ορατό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, εμφανίζεται πόλωση σε μεγαλύτερο βαθμό σε γήινου τύπου ατμόσφαιρες, με υψηλή περιεκτικότητα σε υδρατμούς, λόγω της σκέδασης Rayleigh. Αντίθετα, σε μήκη κύματος κοντά στο υπέρυθρο, η πόλωση είναι εντονότερη σε ατμόσφαιρες όπως αυτή της Αφροδίτης, λόγω της υψηλής περιεκτικότητας σε διοξείδιο του άνθρακα.
Με τα σημερινά όργανα παρατήρησης, τέτοιες μέθοδοι δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε πλανήτες με στερεή επιφάνεια, καθώς οι ατμόσφαιρές τους είναι λεπτές και οι μετρήσεις μας δεν είναι αρκετά ακριβείς. Ωστόσο, οι μετρήσεις πόλωσης του φωτός ήδη αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο σε πολλούς τομείς της αστροφυσικής, όπως η μελέτη μαύρων τρυπών, γαλαξιακών πυρήνων και πρωτοπλανητικών δίσκων. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι μελλοντικά θα μπορούσαν να συνεισφέρουν σημαντικά και στην μελέτη εξωπλανητών.
