Jak szukają planet w strefie nadającej się do zamieszkania, jakie warunki są niezbędne do powstania życia i co ciekawe w odkryciu egzoplanety Proxima b
Strefa zamieszkania, zwana po angielsku strefą zamieszkałą, to obszar w przestrzeni o najkorzystniejszych warunkach do życia typu lądowego. Termin siedlisko oznacza, że prawie wszystkie warunki życia są spełnione, po prostu tego nie widzimy. O przydatności do życia decydują następujące czynniki: obecność wody w postaci ciekłej, dostatecznie gęsta atmosfera, różnorodność chemiczna (proste i złożone cząsteczki oparte na H, C, N, O, S i P) oraz obecność gwiazdy, która dostarcza wymaganą ilość energii.
Historia badań: planety naziemne
Z punktu widzenia astrofizyki pojawiło się kilka bodźców do powstania koncepcji strefy zamieszkałej. Rozważmy nasz Układ Słoneczny i cztery planety ziemskie: Merkurego, Wenus, Ziemię i Marsa. Merkury nie ma atmosfery i znajduje się zbyt blisko Słońca, dlatego nie jest dla nas zbyt interesujący. To planeta o smutnym losie, bo nawet gdyby miała atmosferę, unosiłby ją wiatr słoneczny, czyli strumień plazmy nieustannie wypływający z korony gwiazdy.
Rozważmy pozostałe planety ziemskie w Układzie Słonecznym - to Wenus, Ziemia i Mars. Powstały praktycznie w tym samym miejscu i w tych samych warunkach ~ 4,5 miliarda lat temu. I dlatego z punktu widzenia astrofizyki ich ewolucja powinna być dość podobna. Teraz, na początku ery kosmicznej, kiedy posunęliśmy się naprzód w badaniu tych planet za pomocą statków kosmicznych, uzyskane wyniki wykazały skrajnie różne warunki panujące na tych planetach. Teraz wiemy, że Wenus ma bardzo wysokie ciśnienie i jest bardzo gorąca na powierzchni, 460-480 ° C - są to temperatury, w których wiele substancji nawet się topi. A już od pierwszych zdjęć panoramicznych powierzchni widzieliśmy, że jest ona całkowicie nieożywiona i praktycznie nie przystosowana do życia. Cała powierzchnia to jeden kontynent.
Planety lądowe - Merkury, Wenus, Ziemia, Mars
Film promocyjny:
commons.wikimedia.org
Z drugiej strony Mars. To zimny świat. Mars stracił swoją atmosferę. To znowu powierzchnia pustyni, chociaż są tam góry i wulkany. Atmosfera dwutlenku węgla jest bardzo rzadka; jeśli woda tam była, to wszystko było zamarznięte. Mars ma czapę polarną, a ostatnie wyniki misji na Marsa sugerują, że pod piaszczystą pokrywą - regolitem - znajduje się lód.
I Ziemia. Bardzo korzystna temperatura, woda nie zamarza (przynajmniej nie wszędzie). I to na Ziemi powstało życie - zarówno prymitywne, jak i wielokomórkowe, inteligentne życie. Wydawać by się mogło, że widzimy niewielką część Układu Słonecznego, w której powstały trzy planety, zwane planetami ziemskimi, ale ich ewolucja jest zupełnie inna. I na tych pierwszych wyobrażeniach o możliwych ścieżkach ewolucji samych planet zrodziła się idea strefy nadającej się do zamieszkania.
Granice stref mieszkalnych
Astrofizycy obserwują i badają otaczający nas świat, otaczającą nas przestrzeń kosmiczną, czyli nasz Układ Słoneczny i układy planetarne w innych gwiazdach. Aby w jakiś sposób usystematyzować, gdzie szukać, jakie obiekty być interesujące, trzeba zrozumieć, jak określić strefę zamieszkałą. Zawsze uważaliśmy, że inne gwiazdy powinny mieć planety, ale moc instrumentalna pozwoliła nam odkryć pierwsze egzoplanety - planety znajdujące się poza Układem Słonecznym - zaledwie 20 lat temu.
W jaki sposób określane są wewnętrzne i zewnętrzne granice strefy nadającej się do zamieszkania? Uważa się, że w naszym Układzie Słonecznym strefa mieszkalna znajduje się w odległości od 0,95 do 1,37 jednostki astronomicznej od Słońca. Wiemy, że Ziemia znajduje się w odległości 1 jednostki astronomicznej (AU) od Słońca, a Wenus - 0,7 AU. e., Mars - 1,5 a. To znaczy, jeśli znamy jasność gwiazdy, to bardzo łatwo jest obliczyć środek strefy zamieszkiwalnej - wystarczy wziąć pierwiastek kwadratowy ze stosunku jasności tej gwiazdy i odnieść się do jasności Słońca, czyli:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Tutaj Rae to średni promień ekosfery w jednostkach astronomicznych, a Lstar i Lsun to bolometryczna jasność odpowiednio szukanej gwiazdy i Słońca. Granice strefy zamieszkiwalnej wyznacza się w oparciu o wymóg obecności wody w stanie ciekłym na znajdujących się w niej planetach, gdyż jest ona niezbędnym rozpuszczalnikiem w wielu reakcjach biomechanicznych. Poza zewnętrzną granicą strefy zamieszkałej planeta nie otrzymuje wystarczającej ilości promieniowania słonecznego, aby zrekompensować straty promieniowania, a jej temperatura spadnie poniżej punktu zamarzania wody. Planeta znajdująca się bliżej gwiazdy niż wewnętrzna granica strefy nadającej się do zamieszkania zostanie nadmiernie podgrzana przez jej promieniowanie, w wyniku czego woda wyparuje.
Ściślej rzecz biorąc, wewnętrzną granicę wyznacza zarówno odległość planety od gwiazdy, jak i skład jej atmosfery, aw szczególności obecność tzw. Gazów cieplarnianych: pary wodnej, dwutlenku węgla, metanu, amoniaku i innych. Jak wiadomo, gazy cieplarniane powodują nagrzewanie się atmosfery, co w przypadku katastrofalnie narastającego efektu cieplarnianego (np. Wczesna Wenus) prowadzi do odparowania wody z powierzchni planety i strat z atmosfery.
Granica zewnętrzna to już druga strona problemu. Może być znacznie dalej, gdy energia słoneczna jest niewielka, a obecność gazów cieplarnianych w atmosferze Marsa nie wystarczy, aby efekt cieplarniany wytworzył łagodny klimat. Gdy tylko ilość energii stanie się niewystarczająca, gazy cieplarniane (para wodna, metan itp.) Z atmosfery kondensują się w postaci deszczu lub śniegu i tak dalej. A rzeczywiste gazy cieplarniane zgromadziły się pod czapą polarną na Marsie.
Bardzo ważne jest, aby powiedzieć jedno słowo o strefie nadającej się do zamieszkania dla gwiazd poza naszym Układem Słonecznym: potencjał jest strefą potencjalnego zamieszkiwania, to znaczy, że spełnione są w niej warunki, które są konieczne, ale niewystarczające do powstania życia. Tutaj musimy porozmawiać o żywotności planety, gdy w grę wchodzi szereg zjawisk i procesów geofizycznych i biochemicznych, takich jak pole magnetyczne planety, tektonika płyt, czas trwania planet i tak dalej. Wymienione zjawiska i procesy są obecnie aktywnie badane w nowym kierunku badań astronomicznych - astrobiologii.
Szukaj planet w ekosferze
Astrofizycy po prostu szukają planet, a następnie określają, czy znajdują się one w ekosferze. Z obserwacji astronomicznych można zobaczyć, gdzie znajduje się ta planeta, gdzie znajduje się jej orbita. Jeśli w strefie nadającej się do zamieszkania, natychmiast wzrasta zainteresowanie tą planetą. Następnie musisz zbadać tę planetę pod innymi względami: atmosferą, różnorodnością chemiczną, obecnością wody i źródłem ciepła. To już nieco wyprowadza nas poza nawias pojęcia „potencjału”. Ale głównym problemem jest to, że wszystkie te gwiazdy są bardzo daleko.
Jedną rzeczą jest widzieć planetę w pobliżu gwiazdy takiej jak Słońce. Istnieje wiele egzoplanet podobnych do naszej Ziemi - tak zwane sub- i superziemi, czyli planety o promieniach bliskich lub nieco przekraczających promień Ziemi. Astrofizycy badają je badając atmosferę, nie widzimy powierzchni - tylko w pojedynczych przypadkach, tzw. Obrazowanie bezpośrednie, kiedy widzimy tylko bardzo odległy punkt. Dlatego musimy zbadać, czy ta planeta ma atmosferę, a jeśli tak, to jaki jest jej skład, jakie są tam gazy i tak dalej.
Egzoplaneta (czerwona kropka po lewej) i brązowy karzeł 2M1207b (środek). Pierwsze zdjęcie wykonane przy użyciu technologii bezpośredniego obrazowania w 2004 roku
ESO / VLT
W szerokim sensie poszukiwanie życia poza Układem Słonecznym iw Układzie Słonecznym to poszukiwanie tzw. Biomarkerów. Uważa się, że biomarkery to związki chemiczne pochodzenia biologicznego. Wiemy, że głównym biomarkerem na Ziemi jest na przykład obecność tlenu w atmosferze. Wiemy, że na wczesnej Ziemi było bardzo mało tlenu. Najprostsze, prymitywne życie powstało wcześnie, życie wielokomórkowe powstało dość późno, nie wspominając o inteligentnym. Ale potem, w wyniku fotosyntezy, zaczął się tworzyć tlen, atmosfera się zmieniła. I to jest jeden z możliwych biomarkerów. Teraz z innych teorii wiemy, że istnieje wiele planet z atmosferami tlenowymi, ale tworzenie się tam tlenu cząsteczkowego nie jest spowodowane biologicznymi, ale zwykłymi procesami fizycznymi,powiedzmy rozkład pary wodnej pod wpływem gwiezdnego promieniowania ultrafioletowego. Dlatego cały entuzjazm, że gdy tylko zobaczymy tlen cząsteczkowy, stanie się biomarkerem, nie jest do końca uzasadniony.
Misja „Kepler”
Kosmiczny Teleskop Keplera (CT) to jedna z najbardziej udanych misji astronomicznych (oczywiście po Kosmicznym Teleskopie Hubble'a). Ma na celu znalezienie planet. Dzięki CT Keplerowi dokonaliśmy milowego kroku w badaniach egzoplanet.
CT Keplera skupił się na jednym sposobie odkrywania - tak zwanych tranzytach, kiedy fotometr - jedyny instrument na pokładzie satelity - śledził zmianę jasności gwiazdy w momencie, gdy planeta przechodziła między nią a teleskopem. To dostarczyło informacji o orbicie planety, jej masie, reżimie temperatury. A to pozwoliło zidentyfikować około 4500 potencjalnych kandydatów na planetę podczas pierwszej części tej misji.
Kosmiczny Teleskop „Kepler”
NASA
W astrofizyce, astronomii i prawdopodobnie we wszystkich naukach przyrodniczych zwyczajowo potwierdza się odkrycia. Fotometr rejestruje, że zmienia się jasność gwiazdy, ale co to może oznaczać? Może gwiazda ma jakieś wewnętrzne procesy prowadzące do zmian; planety mijają - jest zaciemniony. Dlatego konieczne jest przyjrzenie się częstotliwości zmian. Aby jednak z całą pewnością stwierdzić, że są tam planety, trzeba to w jakiś sposób potwierdzić - na przykład poprzez zmianę prędkości radialnej gwiazdy. Oznacza to, że obecnie istnieje około 3600 planet - są to planety potwierdzone kilkoma metodami obserwacji. A potencjalnych kandydatów jest prawie 5000.
Proxima Centauri
W sierpniu 2016 roku otrzymano potwierdzenie obecności planety o nazwie Proxima b w pobliżu gwiazdy Proxima Centauri. Dlaczego jest tak interesujący dla wszystkich? Z bardzo prostego powodu: jest to najbliższa naszemu Słońcu gwiazda w odległości 4,2 lat świetlnych (czyli światło pokonuje tę odległość w 4,2 roku). Jest to najbliższa nam egzoplaneta i być może najbliższe ciało niebieskie Układu Słonecznego, na którym może istnieć życie. Pierwsze pomiary wykonano w 2012 roku, ale ponieważ gwiazda ta jest chłodnym czerwonym karłem, należało wykonać bardzo długą serię pomiarów. A kilka zespołów naukowych z Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) obserwowało gwiazdę od kilku lat. Stworzyli stronę internetową o nazwie Pale Red Dot (palereddot.org - red.), Czyli „bladoczerwona kropka” i zamieścili tam swoje obserwacje. Astronomowie przyciągnęli różnych obserwatorów i możliwe było śledzenie wyników obserwacji w domenie publicznej. Tak więc sam proces odkrycia tej planety można było śledzić niemal online. Nazwa programu obserwacyjnego i strony internetowej sięga terminu Pale Red Dot, który został ukuty przez znanego amerykańskiego naukowca Carla Sagana dla zdjęć planety Ziemi transmitowanych przez statki kosmiczne z głębi Układu Słonecznego. Kiedy próbujemy znaleźć planetę taką jak Ziemia w innych systemach gwiezdnych, możemy spróbować wyobrazić sobie, jak nasza planeta wygląda z głębi kosmosu. Projekt ten nazwano Pale Blue Dot („bladoniebieska kropka”), ponieważ z kosmosu, ze względu na jasność atmosfery, nasza planeta jest widoczna jako niebieska kropka.sam proces odkrycia tej planety można było śledzić niemal online. Nazwa programu obserwacyjnego i strony internetowej sięga terminu Pale Red Dot, który został ukuty przez znanego amerykańskiego naukowca Carla Sagana dla zdjęć planety Ziemi transmitowanych przez statki kosmiczne z głębin Układu Słonecznego. Kiedy próbujemy znaleźć planetę taką jak Ziemia w innych systemach gwiezdnych, możemy spróbować wyobrazić sobie, jak nasza planeta wygląda z głębi kosmosu. Projekt ten nazwano Pale Blue Dot („bladoniebieska kropka”), ponieważ z kosmosu, ze względu na jasność atmosfery, nasza planeta jest widoczna jako niebieska kropka.sam proces odkrycia tej planety można było śledzić niemal online. Nazwa programu obserwacyjnego i strony internetowej sięga terminu Pale Red Dot, który został ukuty przez znanego amerykańskiego naukowca Carla Sagana dla zdjęć planety Ziemi transmitowanych przez statki kosmiczne z głębin Układu Słonecznego. Kiedy próbujemy znaleźć planetę taką jak Ziemia w innych systemach gwiezdnych, możemy spróbować wyobrazić sobie, jak nasza planeta wygląda z głębi kosmosu. Projekt ten nazwano Pale Blue Dot („bladoniebieska kropka”), ponieważ z kosmosu, ze względu na jasność atmosfery, nasza planeta jest widoczna jako niebieska kropka.zaproponowane przez słynnego amerykańskiego naukowca Carla Sagana do zdjęć planety Ziemia, transmitowanych przez statki kosmiczne z głębin Układu Słonecznego. Kiedy próbujemy znaleźć planetę taką jak Ziemia w innych systemach gwiezdnych, możemy spróbować wyobrazić sobie, jak nasza planeta wygląda z głębi kosmosu. Projekt ten nazwano Pale Blue Dot („bladoniebieska kropka”), ponieważ z kosmosu, ze względu na jasność atmosfery, nasza planeta jest widoczna jako niebieska kropka.zaproponowane przez słynnego amerykańskiego naukowca Carla Sagana do zdjęć planety Ziemia, transmitowanych przez statki kosmiczne z głębin Układu Słonecznego. Kiedy próbujemy znaleźć planetę taką jak Ziemia w innych systemach gwiezdnych, możemy spróbować wyobrazić sobie, jak nasza planeta wygląda z głębi kosmosu. Projekt ten nazwano Pale Blue Dot („bladoniebieska kropka”), ponieważ z kosmosu, ze względu na jasność atmosfery, nasza planeta jest widoczna jako niebieska kropka.
Planeta Proxima b znalazła się w ekosferze swojej gwiazdy i stosunkowo blisko Ziemi. Jeśli my, planeta Ziemia, znajdujemy się 1 jednostkę astronomiczną od naszej gwiazdy, to ta nowa planeta jest 0,05, czyli 200 razy bliżej. Ale gwiazda świeci słabiej, jest zimniejsza i już przy takich odległościach wpada w tzw. Strefę przechwytywania pływowego. Kiedy Ziemia schwytała Księżyc i obracają się razem, ta sama sytuacja jest tutaj. Ale jednocześnie jedna strona planety jest rozgrzana, a druga zimna.
Rzekomy krajobraz Proxima Centauri b widziany przez artystę
ESO / M. Kornmesser
Są takie warunki klimatyczne, system wiatrów, które wymieniają ciepło między częścią ogrzewaną a częścią ciemną, a na granicach tych półkul mogą istnieć całkiem sprzyjające warunki do życia. Ale problem z planetą Proxima Centauri b polega na tym, że gwiazdą macierzystą jest czerwony karzeł. Czerwone karły żyją dość długo, ale mają jedną specyficzną właściwość: są bardzo aktywne. Istnieją rozbłyski gwiazd, koronalne wyrzuty masy i tak dalej. Opublikowano już całkiem sporo artykułów naukowych na temat tego układu, w których np. Piszą, że w przeciwieństwie do Ziemi poziom promieniowania ultrafioletowego jest tam 20-30 razy wyższy. Oznacza to, że aby na powierzchni panowały korzystne warunki, atmosfera musi być wystarczająco gęsta, aby chronić przed promieniowaniem. Ale to jedyna najbliższa nam egzoplaneta,które można szczegółowo zbadać za pomocą instrumentów astronomicznych nowej generacji. Obserwuj jego atmosferę, zobacz, co się tam dzieje, czy są gazy cieplarniane, jaki jest klimat, czy są tam biomarkery. Astrofizycy zbadają planetę Proxima b, gorący obiekt badawczy.
Perspektywy
Czekamy na uruchomienie kilku nowych teleskopów naziemnych i kosmicznych, nowych instrumentów. W Rosji będzie to teleskop kosmiczny Spektr-UF. Nad projektem aktywnie pracuje Instytut Astronomii Rosyjskiej Akademii Nauk. W 2018 roku zostanie wystrzelony Amerykański Teleskop Kosmiczny. James Webb to następna generacja w porównaniu z CT im. Hubble. Jego rozdzielczość będzie znacznie wyższa i będziemy mogli obserwować skład atmosfery na tych egzoplanetach, o których wiemy, jakoś rozstrzygnąć ich strukturę, system klimatyczny. Ale musimy zrozumieć, że to pospolity instrument astronomiczny - oczywiście będzie bardzo silna konkurencja, tak samo jak w CT. Hubble: ktoś chce oglądać galaktykę, ktoś - gwiazdy, ktoś inny coś. Planowanych jest kilka wyspecjalizowanych misji eksploracji egzoplanet,np. NASA TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). W rzeczywistości w ciągu najbliższych 10 lat możemy spodziewać się znacznego postępu w naszej wiedzy o egzoplanetach w ogóle, aw szczególności o potencjalnie zamieszkałych egzoplanetach, takich jak Ziemia.
Valery Shematovich, doktor fizyki i matematyki, kierownik Zakładu Badań Układu Słonecznego, Instytut Astronomii, Rosyjska Akademia Nauk