O ile nam wiadomo, życie pozaziemskie potrzebuje żywych planet skalistych. Najwcześniejsze takie planety mogły być pełne węgla, z formami wczesnego życia pojawiającymi się na światach z warstwami diamentu pod skorupami i czarnymi skałami powierzchniowymi.
Niedawne badania Natalie Mashian i Avi Loeba w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics przyjrzały się powstawaniu planet wokół gwiazd ubogich w metale ubogie w węgiel (CEMP). Tego rodzaju gwiazdy prawdopodobnie powstały we wczesnym wszechświecie, tuż po tym, jak pierwsza generacja masywnych gwiazd spaliła paliwo jądrowe i wybuchła jako supernowe. Jeśli wokół takich gwiazd znajdują się planety, oznacza to, że życie mogło pojawić się we wszechświecie w ciągu kilkuset milionów lat Wielkiego Wybuchu, 13, 8 miliarda lat temu. Poprzednie badania sugerowały, że mogło to potrwać dłużej; najstarszy odkryty układ egzoplanetowy, Kepler 444, otacza gwiazdę, która ma około 11, 2 miliarda lat.
Pierwiastki takie jak żelazo i krzem są zwykle uważane za niezbędne do tworzenia planet, ponieważ tworzą ziarna pyłu, wokół których mogą powstawać większe ciała poprzez akrecję grawitacyjną. Nawet bogaci w wodór giganci gazowi, tacy jak Jowisz, zaczynali od takiego „ziarna”. Jednak CEMPy nie mają tylu ciężkich pierwiastków, jak żelazo, jak nasze Słońce, tylko sto tysięcznych, co mówi coś, ponieważ Słońce ma tylko 0, 003 procent żelaza. Jeśli więc CEMP powstają przede wszystkim z chmur gazu i pyłu węgla, tlenu i azotu, jedno pytanie brzmi: czy planety takie jak Ziemia, o stałych powierzchniach, mogłyby się uformować.
Mashian i Loeb sugerują, że planety mogą faktycznie gromadzić się w takiej mgławicy, a zatem wokół CEMP-ów. Astronomowie mogą je znaleźć wraz z niektórymi najnowszymi teleskopami kosmicznymi i przyszłymi instrumentami, takimi jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, które pojawią się w sieci. „Metody są takie same [jak w poprzednich misjach egzoplanet]” - powiedział Loeb Smithsonian.com. „Szukałbyś planet przelatujących przez ich gwiazdy”.
W swoich badaniach Mashian i Loeb modelują odległości od CEMP, jakie uformowałyby planety, oraz ich prawdopodobne rozmiary. Takie planety miałyby mało żelaza i krzemu, pierwiastków, które składają się na dużą część Ziemi. Zamiast tego byłyby bogatsze w węgiel. Okazało się, że maksymalny rozmiar byłby około 4, 3 razy większy niż promień Ziemi. Planeta węglowa pozwoliłaby na tworzenie się wielu cząsteczek węglowodorów na powierzchni, pod warunkiem, że temperatura nie będzie zbyt wysoka. Jak wynika z badań, każda planeta o masie mniejszej niż około 10 razy większej od Ziemi miałaby w swojej atmosferze dużo tlenku węgla i metanu.
W mgławicy bogatej w lżejsze pierwiastki dodał, że prawdopodobnie będzie tam również woda, kolejny kluczowy składnik biosfery. „Nawet przy niskim poziomie tlenu wodór łączy się z nim i wytwarza wodę” - powiedział. Tak więc planeta węglowa może mieć wodę. Loeb powiedział w oświadczeniu, że ponieważ samo życie opiera się na węglu, dobrze wróży to wyglądowi żywych istot.
CEMP-y są tak ubogie w cięższe pierwiastki, ponieważ zostały zbudowane z resztek pierwszych gwiazd we wszechświecie - gigantów o masach setek razy większych niż Słońce. Rdzeń masywnej gwiazdy jest jak cebula. Najcięższe pierwiastki powstałe w wyniku syntezy jądrowej są skierowane w stronę środka - żelazo, magnez i krzem znajdują się w najgłębszych warstwach, podczas gdy węgiel, tlen i trochę pozostałego helu i wodoru znajdują się w warstwach zewnętrznych. Loeb powiedział, że znaczna część materiału w wewnętrznych warstwach - te cięższe pierwiastki - spadnie z powrotem do czarnej dziury, która powstaje po tym, jak gwiazda stanie się supernową. Tymczasem lżejsze elementy zostaną wyrzucone w przestrzeń kosmiczną, tworząc nowe gwiazdy. Te gwiazdy, powstające z gazów pozostałych po pierwszej, byłyby ubogie w metale takie jak żelazo, ale bogate w węgiel - CEMP.
Dopiero później, gdy mniej masywne gwiazdy starzeją się i wybuchają jako supernowe, cięższe metale mogą się wydostać. Gwiazda poniżej 25 mas Słońca zapadnie się w gwiazdę neutronową lub skończy jako biały karzeł. W przeciwieństwie do czarnych dziur, gwiazdy neutronowe i białe karły nie mają prędkości ucieczki szybciej niż światło, więc eksplozja supernowej jest znacznie bardziej prawdopodobna, że rozprzestrzeni żelazo z jądra gwiazdy. Właśnie dlatego gwiazdy takie jak słońce mają tyle żelaza, co one, i dlatego Ziemia ma jeszcze cięższe pierwiastki.
To, czy takie planety mają życie, czy nie, jest wciąż otwarte. Samo badanie skupia się przede wszystkim na formowaniu planet, co jest niezbędnym krokiem do życia. „Mój doktorant [Mashian] jest konserwatywny” - żartował Loeb. Aby zobaczyć oznaki życia, trzeba zobaczyć atmosferę omawianych planet. Cel byłby sygnaturą tlenu, którego brak w jakiś sposób by go uzupełnić, zniknie z atmosfery planety w reakcji z kamieniami powierzchniowymi. Na Ziemi tlen wytwarzają rośliny, które pochłaniają dwutlenek węgla. Obcy patrząc na atmosferę naszej planety zauważyliby, że coś jest nie tak.
Widzenie tych atmosfer - zakładając, że same planety zostaną odnalezione - prawdopodobnie będzie wymagało potężniejszych teleskopów niż są obecnie dostępne. „[Teleskop kosmiczny Jamesa Webba] może marginalnie zrobić to dla najbliższych gwiazd” - powiedział. „Ale CEMP są dziesięć razy dalej”.
