Een superbewoonbare planeet is een hypothetisch type exoplaneet of exomaan die mogelijk beter geschikt is dan de aarde voor het ontstaan en de evolutie van leven. Het concept werd in 2014 geïntroduceerd door René Heller en John Armstronghttps://arxiv.org/abs/1401.2392, die kritiek hebben geuit op de taal die wordt gebruikt bij de zoektocht naar bewoonbare planeten (en buitenaards leven) en verduidelijkingen hebben voorgesteld.
Volgens Heller en Armstrong is het niet voldoende om te weten of een planeet zich in de bewoonbare zone van zijn ster bevindt: Het is niet duidelijk waarom de aarde levende organismen de meest geschikte fysisch-chemische parameters zou moeten bieden, aangezien "Planeten niet op de aarde kunnen lijken, maar toch geschiktere omstandigheden bieden voor het ontstaan en de evolutie van leven dan de aarde deed of doet." Hoewel ze er nog steeds van uitgaan dat het leven water nodig heeft, veronderstellen ze dat de aarde misschien niet de optimale planetaire bewoonbaarheidsomstandigheden vertegenwoordigt voor maximale biodiversiteit; met andere woorden, ze definiëren een superbewoonbare wereld als een Aardse planeet of maan die meer diverse flora en fauna zou kunnen herbergen dan er op aarde zijn, omdat dit empirisch zou aantonen dat de natuurlijke omgeving gastvrijer is voor leven.
Heller en Armstrong wijzen er ook op dat niet alle rotsachtige planeten in een bewoonbare zone bewoonbaar kunnen zijn, en dat getijdenverwarming aardse of ijzige werelden bewoonbaar kan maken buiten de stellaire bewoonbare zone, zoals in de interne oceaan van Europa. De auteurs stellen voor dat om een bewoonbare (of superbewoonbare) planeet te identificeren, een karakteriseringsconcept nodig is dat eerder biocentrisch dan geo- of antropocentrisch is. Heller en Armstrong stelden voor om een profiel voor exoplaneten op te stellen op basis van onder meer het type ster, de massa en de locatie in hun planetenstelsel. Volgens deze auteurs zouden dergelijke superbewoonbare werelden waarschijnlijk groter, warmer en ouder zijn dan de aarde, en draaien ze om oranje dwergen.
Algemene karakteristieken Heller en Armstrong stelden voor dat er een reeks basiskenmerken nodig zijn om een exoplaneet of exomaan als superbewoonbaar te classificeren; vanwege de grootte moet deze ongeveer twee aardmassa's zijn, en 1,3 keer de straal van de aarde zullen een optimale maat opleveren voor platentektoniek. Bovendien zou het een grotere aantrekkingskracht hebben, waardoor de retentie van gassen tijdens de vorming van de planeet zou toenemen. Het is daarom waarschijnlijk dat ze een dichtere atmosfeer hebben die een grotere concentratie zuurstof en broeikasgassen zal bieden, die op hun beurt de gemiddelde temperatuur verhogen tot een optimaal niveau voor het plantenleven tot ongeveer 25 °C. Een dichtere atmosfeer kan ook het oppervlaktereliëf beïnvloeden, waardoor het regelmatiger wordt en de omvang van de oceaanbekkens kleiner wordt, wat de diversiteit van het zeeleven in ondiepe wateren zou verbeteren.
Andere factoren waarmee rekening moet worden gehouden, zijn het type ster in het systeem. Sterren van het K-type en sterren van het G-type met lage lichtkracht, gezamenlijk oranje dwergen genoemd, zijn minder zwaar dan de zon en zijn zeer lang stabiel op de hoofdreeks (18 tot 34 miljard jaar, vergeleken met 10 miljard jaar voor de zon, een G2V-ster), wat meer tijd geeft voor de opkomst van leven en evolutie. Bovendien zenden oranje dwergen minder ultraviolette straling uit (die het DNA kan beschadigen en zo de opkomst van op nucleïnezuren gebaseerd leven kan belemmeren) dan sterren als de zon. Aanvullende informatie over oranje dwergen, inclusief kwantitatieve schattingen over hun geschiktheid om als gastheer te dienen voor superbewoonbare planeten, is in 2016 gegeven door Cuntz en Guinanhttps://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016ApJ...827...79C/abstract.
Oppervlakte, grootte en samenstelling
Een exoplaneet met een groter volume dan die van de aarde, een complexer reliëf, of met een groter oppervlak bedekt met vloeibaar water, zou gastvrijer kunnen zijn voor leven dan de aarde. Omdat het volume van een planeet vaak rechtstreeks verband houdt met zijn massa, geldt: hoe massiever de planeet is, des te groter de zwaartekracht, wat kan resulteren in een dichtere atmosfeer.
Sommige onderzoeken geven aan dat er een natuurlijke straallimiet is, vastgesteld op R🜨, waaronder bijna alle planeten aards zijn en voornamelijk bestaan uit mengsels van steen, ijzer en water. Er werd ooit gedacht dat objecten met een massa van minder dan 8 M🜨 zeer waarschijnlijk een vergelijkbare samenstelling hebben als de aarde; boven deze limiet neemt de dichtheid van de planeten af naarmate ze groter worden, en zal de planeet een ‘waterwereld’ worden en ten slotte een gasreus. Bovendien kan voor de meeste superaardes met een massa van zeven keer die van de aarde, hun hoge massa ervoor zorgen dat ze geen platentektoniek hebben. Er wordt dus verwacht dat elke exoplaneet die vergelijkbaar is met de dichtheid van de aarde en met een straal van minder dan 2 R🜨 geschikt kan zijn voor leven. Andere studies geven echter aan dat waterwerelden een overgangsfase vertegenwoordigen tussen mini-Neptunussen en de aardse planeten, vooral als ze tot rode dwergen of K-dwergen behoren. Hoewel waterplaneten bewoonbaar kunnen zijn, zouden de gemiddelde diepte van het water en de afwezigheid van landoppervlak ze niet superbewoonbaar maken zoals gedefinieerd door Heller en Armstrong. Verder onderzoek naar de relatie tussen massa en straal geeft ook aan dat het overgangspunt tussen een rotsachtige planeet en een mini-Neptunus gewoonlijk veel eerder plaatsvindt, op slechts ongeveer 2 M🜨; uitzonderingen hierop liggen zeer dicht bij hun sterren (en dus zou hun vluchtige atmosfeer zijn weggekookt), waardoor zeer hete oppervlakteomstandigheden ontstaan die niet erg bevorderlijk zijn voor leven. Vanuit geologisch perspectief is de optimale massa van een planeet ongeveer 2 M🜨, dus hij moet een straal hebben die de dichtheid van de aarde tussen 1,2 en 1,3R🜨 houdt.
De gemiddelde diepte van de oceanen heeft ook invloed op de bewoonbaarheid van een planeet. De ondiepe delen van de zee zijn, gezien de hoeveelheid licht en warmte die ze ontvangen, doorgaans comfortabeler voor bekende watersoorten, dus zijn exoplaneten met een lagere gemiddelde diepte waarschijnlijk geschikter voor leven. Massievere exoplaneten zouden doorgaans een regelmatige zwaartekracht aan het oppervlak hebben, wat kan leiden tot ondiepere (en gastvrijere) oceaanbekkens.
Geologie Platentektoniek, in combinatie met de aanwezigheid van grote watermassa's op een planeet, kan een hoog kooldioxidegehalte (CO2) in de atmosfeer handhaven. Dit proces lijkt gebruikelijk te zijn op geologisch actieve aardse planeten met een aanzienlijke rotatiesnelheid. Hoe massiever een planetair lichaam, hoe langer het interne warmte zal genereren, wat een belangrijke factor is die bijdraagt aan de platentektoniek. Overmatige massa kan echter ook de platentektoniek vertragen vanwege de verhoogde druk en viscositeit van de mantel, wat het verschuiven van de lithosfeer belemmert. Uit onderzoek blijkt dat de activiteit van de platentektoniek piekt in lichamen met een massa tussen 1 en 5M🜨, met een optimale massa van ongeveer 2M🜨.
Als de geologische activiteit niet sterk genoeg is om voldoende broeikasgassen te genereren om de mondiale temperatuur boven het vriespunt van water te laten stijgen, zou de planeet een permanente ijstijd kunnen ervaren, tenzij het proces wordt gecompenseerd door een intense interne warmtebron zoals getijdenenergie, verwarming of bestraling van sterren.
Magnetosfeer Een ander kenmerk dat gunstig is voor leven is het potentieel van een planeet om een sterke magnetosfeer te ontwikkelen om het oppervlak en de atmosfeer te beschermen tegen kosmische straling en stellaire winden, vooral rond rode dwergsterren. Minder massieve lichamen en lichamen met een langzame rotatie, of lichamen met synchrone rotatie, hebben een zwak tot niet-bestaand magnetisch veld, wat na verloop van tijd kan resulteren in het verlies van een aanzienlijk deel van de atmosfeer, vooral waterstof, door hydrodynamische ontsnapping.
Temperatuur en klimaat De optimale temperatuur voor leven op aarde in het algemeen is onbekend, hoewel het erop lijkt dat de diversiteit aan organismen op aarde in warmere perioden groter is geweest. Het is daarom mogelijk dat exoplaneten met iets hogere gemiddelde temperaturen dan die van de aarde geschikter zijn voor leven. Het thermoregulerende effect van grote oceanen op exoplaneten die zich in een bewoonbare zone bevinden, kan een gematigd temperatuurbereik handhaven. In dit geval zouden woestijnen een beperkter oppervlak hebben en waarschijnlijk habitatrijke kustomgevingen ondersteunen.
Uit onderzoek blijkt echter dat de aarde al dicht bij de binnenrand van de bewoonbare zone van het zonnestelsel ligt, en dat dit de leefbaarheid op de lange termijn kan schaden omdat de helderheid van hoofdreekssterren in de loop van de tijd gestaag toeneemt, waardoor de bewoonbare zone steeds verder naar buiten verschuift. Daarom moeten superbewoonbare exoplaneten warmer zijn dan de aarde, maar zich toch verder van de ster bevinden, dichter bij het centrum van de bewoonbare zone van het systeem. Dit zou mogelijk zijn bij een dikkere atmosfeer of bij een hogere concentratie broeikasgassen.
Ster
Het type van de ster bepaalt grotendeels de omstandigheden in een systeem. De zwaarste stertypen (O, B en A) hebben een zeer korte levenscyclus en verlaten snel de hoofdreeks. Bovendien produceren O-type sterren een fotoverdampingseffect dat de accretie van planeten rond de ster voorkomt.
Aan de andere kant zijn de minder massieve M- en late-type K-types veruit de meest voorkomende en langlevende sterren van het universum, maar hun potentieel om leven te ondersteunen wordt nog steeds bestudeerd. Hun lage helderheid verkleint de omvang van de bewoonbare zone, die wordt blootgesteld aan uitbarstingen van ultraviolette straling die vaak voorkomen, vooral tijdens hun eerste miljard jaar van bestaan. Wanneer de baan van een planeet te kort is, kan dit een getijdenvergrendeling van de planeet veroorzaken, waar deze altijd hetzelfde halfrond presenteert als de ster, ook wel daghalfrond genoemd. Zelfs als het bestaan van leven mogelijk zou zijn in een systeem van dit type, is het onwaarschijnlijk dat een exoplaneet die tot een rode dwergster behoort, als ‘superbewoonbaar’ zou worden beschouwd.
Door beide uiteinden buiten beschouwing te laten, bieden systemen met sterren van het K-type (behalve K-sterren van het late type) en sterren van het G-type met lage helderheid, gezamenlijk oranje dwergen genoemd, de best bewoonbare zones voor leven. Sterren van het K-type maken de vorming van planeten om hen heen mogelijk, hebben een lange levensverwachting en bieden stabiele bewoonbare zones die vrij zijn van de gevolgen van overmatige nabijheid van hun sterren. Bovendien is de straling die door een ster van het K-type wordt geproduceerd laag genoeg om complex leven mogelijk te maken zonder dat er een atmosferische ozonlaag nodig is. Ze zijn ook het meest stabiel en hun bewoonbare zones bewegen niet veel tijdens hun leven, dus een terrestrische analoog die zich in de buurt van een K-type ster bevindt, kan gedurende bijna de hele hoofdreeks bewoonbaar zijn.
Baan en rotatie
Experts hebben nog geen consensus bereikt over wat de optimale rotatiesnelheid voor een exoplaneet is, maar deze kan niet te snel of te langzaam zijn. Het laatste geval kan problemen veroorzaken die vergelijkbaar zijn met die waargenomen bij Venus, die elke 243 aardse dagen één rotatie voltooit en als gevolg daarvan geen aardachtig magnetisch veld kan genereren. Een massievere planeet met een langzame rotatie zou dit probleem kunnen oplossen door meerdere manen te hebben vanwege de hogere zwaartekracht die het magnetische veld kan versterken.