Cum caută planetele în zona locuibilă, ce condiții sunt necesare pentru formarea vieții și ce este interesant pentru descoperirea exoplanetului Proxima b
Zona locuibilă, care în engleză se numește zona locuibilă, este o zonă din spațiu cu cele mai favorabile condiții de viață de tip terestru. Termenul de habitat înseamnă că sunt îndeplinite aproape toate condițiile de viață, pur și simplu nu le vedem. Capacitatea pentru viață este determinată de următorii factori: prezența apei sub formă lichidă, o atmosferă suficient de densă, diversitatea chimică (molecule simple și complexe bazate pe H, C, N, O, S și P) și prezența unei stele care aduce cantitatea necesară de energie.
Istoricul studiului: planetele terestre
Din punct de vedere al astrofizicii au existat mai mulți stimuli pentru apariția conceptului de zonă locuibilă. Luați în considerare sistemul nostru solar și patru planete terestre: Mercur, Venus, Pământ și Marte. Mercur nu are atmosferă și este prea aproape de Soare, prin urmare, nu este foarte interesant pentru noi. Aceasta este o planetă cu o soartă tristă, deoarece chiar dacă ar avea atmosferă, ea ar fi dusă de vântul solar, adică un flux de plasmă care curge continuu din corona stelei.
Luați în considerare restul planetelor terestre din sistemul solar - acestea sunt Venus, Pământ și Marte. Au apărut practic în același loc și în aceleași condiții - acum 4,5 miliarde de ani. Și, prin urmare, din punctul de vedere al astrofizicii, evoluția lor ar trebui să fie destul de similară. Acum, la începutul epocii spațiale, când am avansat în studiul acestor planete folosind nave spațiale, rezultatele obținute au arătat condiții extrem de diferite pe aceste planete. Știm acum că Venus are o presiune foarte mare și este foarte cald la suprafață, 460-480 ° C - acestea sunt temperaturi la care multe substanțe se topesc chiar. Și din primele fotografii panoramice ale suprafeței, am văzut că este complet neînsuflețită și practic nu este adaptată vieții. Întreaga suprafață este un singur continent.
Planetele terestre - Mercur, Venus, Pământ, Marte
Video promotional:
commons.wikimedia.org
Pe de altă parte, Marte. Este o lume rece. Marte și-a pierdut atmosfera. Aceasta este din nou o suprafață a deșertului, deși există munți și vulcani. Atmosfera de dioxid de carbon este foarte subțire; dacă apa era acolo, atunci totul era înghețat. Marte are un capac polar, iar rezultatele recente dintr-o misiune în Marte sugerează că gheața există sub acoperirea nisipoasă - regulitul.
Și Pământul. Temperatură foarte favorabilă, apa nu îngheață (cel puțin nu peste tot). Și pe Pământ a apărut viața - atât viață primitivă, cât și multicelulară, inteligentă. S-ar părea că vedem o mică parte a sistemului solar, în care s-au format trei planete, numite planete terestre, dar evoluția lor este complet diferită. Și pe aceste prime idei despre posibilele căi ale evoluției planetelor în sine, a apărut ideea zonei locuibile.
Limitele zonei locuibile
Astrofizicienii observă și studiază lumea din jurul nostru, spațiul exterior din jurul nostru, adică sistemul nostru solar și sistemele planetare ale altor stele. Pentru a sistematiza cumva, unde să privești, ce obiecte să te intereseze, trebuie să înțelegi cum să determini zona locuibilă. Am crezut întotdeauna că alte stele ar trebui să aibă planete, dar puterea instrumentală ne-a permis să descoperim primele exoplanete - planetele situate în afara sistemului solar - în urmă cu doar 20 de ani.
Cum sunt determinate limitele interioare și exterioare ale zonei locuibile? Se crede că în sistemul nostru solar, zona locuibilă este situată la o distanță de 0,95 la 1,37 unități astronomice față de Soare. Știm că Pământul este o unitate astronomică (AU) de la Soare, Venus este 0,7 AU. e., Marte - 1,5 a. e. Dacă cunoaștem luminozitatea unei stele, atunci este foarte ușor să calculăm centrul zonei locuibile - trebuie doar să iei rădăcina pătrată a raportului dintre luminozitatea acestei stele și să te referi la luminozitatea Soarelui, adică:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Aici Rae este raza medie a zonei locuibile în unitățile astronomice, iar Lstar și Lsun sunt luminozitățile bolometrice ale stelei și respectiv ale Soarelui. Limitele zonei locuibile sunt stabilite pe baza cerinței pentru prezența apei lichide pe planetele situate în ea, deoarece este un solvent necesar în multe reacții biomecanice. Dincolo de limita exterioară a zonei locuibile, planeta nu primește suficientă radiație solară pentru a compensa pierderile de radiații, iar temperatura acesteia va scădea sub punctul de îngheț al apei. O planetă situată mai aproape de stea decât limita interioară a zonei locuibile va fi încălzită excesiv de radiațiile sale, în urma căreia apa se va evapora.
Mai strict, granița interioară este determinată atât de distanța planetei de stea, cât și de compoziția atmosferei sale și, în special, de prezența așa-numitelor gaze cu efect de seră: vapori de apă, dioxid de carbon, metan, amoniac și altele. După cum știți, gazele cu efect de seră provoacă încălzirea atmosferei, care în cazul unui efect de seră în creștere catastrofică (de exemplu, Venus timpuriu) duce la evaporarea apei de pe suprafața planetei și pierderea din atmosferă.
Frontiera externă este deja cealaltă parte a problemei. Poate fi mult mai departe atunci când există energie mică de la Soare și prezența gazelor cu efect de seră în atmosfera lui Marte nu este suficientă pentru ca efectul de seră să creeze un climat blând. De îndată ce cantitatea de energie devine insuficientă, gazele cu efect de seră (vaporii de apă, metanul etc.) din atmosferă se condensează, cad sub formă de ploaie sau zăpadă și așa mai departe. Și gazele cu efect de seră s-au acumulat sub capacul polar pe Marte.
Este foarte important să spunem un cuvânt despre zona locuibilă pentru stelele din afara sistemului nostru solar: potențialul este o zonă de locuință potențială, adică sunt îndeplinite condiții care sunt necesare, dar nu sunt suficiente pentru formarea vieții. Aici este necesar să vorbim despre viabilitatea planetei, când intră în joc o serie de fenomene și procese geofizice și biochimice, cum ar fi prezența unui câmp magnetic, a tectonicii pe plăci, a duratei zilelor planetare etc. Fenomenele și procesele enumerate sunt acum studiate activ într-o nouă direcție de cercetare astronomică - astrobiologie.
Căutați planete în zona locuibilă
Astrofizicienii caută pur și simplu planete și apoi determină dacă se află în zona locuibilă. Din observații astronomice, puteți vedea unde se află această planetă, unde este orbita ei. Dacă în zona locuibilă, atunci interesul pentru această planetă crește imediat. În continuare, trebuie să studiați această planetă în alte aspecte: atmosferă, diversitate chimică, prezența apei și sursa de căldură. Acest lucru ne duce deja ușor în afara parantezelor conceptului de „potențial”. Problema principală este însă că toate aceste stele sunt foarte departe.
Este un lucru să vezi o planetă lângă o stea precum Soarele. Există o serie de exoplanete similare Pământului nostru - așa-numitele sub- și super-Pământuri, adică planete cu raze apropiate sau care depășesc ușor raza Pământului. Astrofizicienii le studiază studiind atmosfera, nu vedem suprafețe - doar în cazuri izolate, așa-numita imagistică directă, când vedem doar un punct foarte îndepărtat. Prin urmare, trebuie să studiem dacă această planetă are atmosferă și, dacă da, care este compoziția sa, ce gaze există și așa mai departe.
Exoplanet (punct roșu la stânga) și pitic maro 2M1207b (mijloc). Prima imagine realizată folosind tehnologia imagistică directă în 2004
ESO / VLT
În sens larg, căutarea vieții în afara sistemului solar și în sistemul solar este căutarea așa-numitelor biomarkere. Se consideră că biomarkerii sunt compuși chimici de origine biologică. Știm că principalul biomarker de pe Pământ, de exemplu, este prezența oxigenului în atmosferă. Știm că pe Pământ timpuriu a existat foarte puțin oxigen. Viața cea mai simplă, primitivă a apărut timpuriu, viața multicelulară a apărut destul de târziu, ca să nu mai vorbim de inteligent. Dar apoi, din cauza fotosintezei, a început să se formeze oxigen, atmosfera s-a schimbat. Și acesta este unul dintre posibilii biomarkeri. Acum din alte teorii știm că există o serie de planete cu atmosfere de oxigen, dar formarea de oxigen molecular acolo este cauzată nu de biologice, ci de procese fizice obișnuite,să zicem descompunerea vaporilor de apă sub influența radiațiilor ultraviolete stelare. Prin urmare, tot entuziasmul că, de îndată ce vom vedea oxigenul molecular, va fi un biomarker, nu este în totalitate justificat.
Misiunea "Kepler"
Telescopul spațial Kepler (CT) este una dintre cele mai de succes misiuni astronomice (desigur, după Telescopul spațial Hubble). Acesta își propune să găsească planete. Datorită CT Kepler, am făcut un salt cuantic în cercetarea exoplanetelor.
CT Kepler a fost concentrat pe un singur mod de descoperire - așa-numitele tranzite, când un fotometru - singurul instrument de la bordul satelitului - a urmărit schimbarea luminozității unei stele în momentul în care planeta a trecut între ea și telescop. Aceasta a dat informații despre orbita planetei, masa sa, regimul de temperatură. Și acest lucru a făcut posibilă identificarea a aproximativ 4500 de potențiali candidați planetari în prima parte a acestei misiuni.
Telescopul spațial "Kepler"
NASA
În astrofizică, astronomie și, probabil, în toate științele naturii, se obișnuiește confirmarea descoperirilor. Fotometrul înregistrează că luminozitatea stelei se schimbă, dar ce poate însemna asta? Poate că steaua are un fel de procese interne care duc la schimbări; planetele trec - se întunecă. Prin urmare, este necesar să analizăm frecvența modificărilor. Dar pentru a spune cu siguranță că există planete acolo, trebuie să confirmați acest lucru într-un fel - de exemplu, schimbând viteza radială a stelei. Adică, acum există aproximativ 3600 de planete - acestea sunt planete confirmate prin mai multe metode de observare. Și există aproape 5.000 de candidați potențiali.
Proxima Centauri
În august 2016, s-a confirmat prezența unei planete denumite Proxima b lângă stea Proxima Centauri. De ce este atât de interesant pentru toată lumea? Dintr-un motiv foarte simplu: este steaua cea mai apropiată de Soarele nostru la o distanță de 4,2 ani-lumină (adică lumina acoperă această distanță în 4,2 ani). Acesta este cel mai apropiat exoplanet de noi și, eventual, cel mai apropiat corp ceresc de sistemul solar, pe baza căruia poate exista viață. Primele măsurători au fost luate în 2012, dar, deoarece această stea este un pitic roșu rece, a trebuit să fie luate o serie foarte lungă de măsurători. Și mai multe echipe științifice de la Observatorul European Sud (ESO) au observat steaua de câțiva ani. Ei au realizat un site web numit Pale Red Dot (palereddot.org - ed.), Adică un „punct roșu pal” și au postat acolo observații. Astronomii au atras diferiți observatori și a fost posibilă urmărirea rezultatelor observațiilor din domeniul public. Deci, a fost posibil să urmeze chiar procesul de descoperire a acestei planete aproape online. Și numele programului și site-ului web de observare se întoarce la termenul Pale Red Dot, inventat de renumitul savant american Carl Sagan pentru imagini ale planetei Pământ transmise de nave spațiale din adâncurile sistemului solar. Când încercăm să găsim o planetă ca Pământul în alte sisteme stelare, putem încerca să ne imaginăm cum arată planeta noastră din adâncurile spațiului. Acest proiect a fost numit Pale Blue Dot („punct albastru pal”), deoarece din spațiu, datorită luminozității atmosferei, planeta noastră este vizibilă ca un punct albastru.a fost posibil să urmeze chiar procesul de descoperire a acestei planete aproape online. Și numele programului și site-ului web de observare se întoarce la termenul Pale Red Dot, inventat de renumitul savant american Carl Sagan pentru imagini ale planetei Pământ transmise de nave spațiale din adâncurile sistemului solar. Când încercăm să găsim o planetă ca Pământul în alte sisteme stelare, putem încerca să ne imaginăm cum arată planeta noastră din adâncurile spațiului. Acest proiect a fost numit Pale Blue Dot („punct albastru pal”), deoarece din spațiu, datorită luminozității atmosferei, planeta noastră este vizibilă ca un punct albastru.a fost posibil să urmeze chiar procesul de descoperire a acestei planete aproape online. Și numele programului și site-ului web de observare se întoarce la termenul Pale Red Dot, inventat de renumitul savant american Carl Sagan pentru imagini ale planetei Pământ transmise de nave spațiale din adâncurile sistemului solar. Când încercăm să găsim o planetă ca Pământul în alte sisteme stelare, putem încerca să ne imaginăm cum arată planeta noastră din adâncurile spațiului. Acest proiect a fost numit Pale Blue Dot („punct albastru pal”), deoarece din spațiu, datorită luminozității atmosferei, planeta noastră este vizibilă ca un punct albastru.propus de celebrul om de știință american Carl Sagan pentru imagini ale planetei Pământ, transmise de nave spațiale din adâncurile sistemului solar. Când încercăm să găsim o planetă ca Pământul în alte sisteme stelare, putem încerca să ne imaginăm cum arată planeta noastră din adâncurile spațiului. Acest proiect a fost numit Pale Blue Dot („punct albastru pal”), deoarece din spațiu, datorită luminozității atmosferei, planeta noastră este vizibilă ca un punct albastru.propus de celebrul om de știință american Carl Sagan pentru imagini ale planetei Pământ, transmise de nave spațiale din adâncurile sistemului solar. Când încercăm să găsim o planetă ca Pământul în alte sisteme stelare, putem încerca să ne imaginăm cum arată planeta noastră din adâncurile spațiului. Acest proiect a fost numit Pale Blue Dot („punct albastru pal”), deoarece din spațiu, datorită luminozității atmosferei, planeta noastră este vizibilă ca un punct albastru.
Planeta Proxima b s-a găsit în zona locuibilă a stelei sale și relativ aproape de Pământ. Dacă noi, planeta Pământ, suntem o unitate astronomică de la steaua noastră, atunci această nouă planetă este de 0,05, adică de 200 de ori mai aproape. Dar stea strălucește mai slab, este mai rece și deja la astfel de distanțe se încadrează în așa-numita zonă de captare a mareei. Pe măsură ce Pământul a capturat Luna și se rotesc împreună, aceeași situație este aici. Dar, în același timp, o parte a planetei este încălzită, iar cealaltă este rece.
Presupusul peisaj al Proxima Centauri b, văzut de artist
ESO / M. Kornmesser
Există astfel de condiții climatice, un sistem de vânt care face schimb de căldură între partea încălzită și partea întunecată, iar la granițele acestor emisfere pot exista condiții destul de favorabile pentru viață. Problema cu planeta Proxima Centauri b este că steaua părinte este o pitică roșie. Piticii roșii trăiesc destul de mult, dar au o proprietate specifică: sunt foarte activi. Există flăcări stelare, ejectări coronale de masă și așa mai departe. Multe articole științifice despre acest sistem au fost deja publicate, unde, de exemplu, ei spun că, spre deosebire de Pământ, nivelul radiațiilor ultraviolete este de 20-30 de ori mai mare. Adică, pentru a avea condiții favorabile la suprafață, atmosfera trebuie să fie suficient de densă pentru a se proteja împotriva radiațiilor. Dar acesta este singurul exoplanet mai apropiat de noicare poate fi studiat în detaliu cu următoarea generație de instrumente astronomice. Observă atmosfera sa, vezi ce se întâmplă acolo, dacă există gaze cu efect de seră, care este clima acolo, dacă există biomarkeri acolo. Astrofizicienii vor studia planeta Proxima b, un obiect fierbinte pentru cercetare.
Perspective
Așteptăm mai multe noi telescoape spațiale la sol și noi instrumente care vor fi lansate. În Rusia, acesta va fi telescopul spațial Spektr-UF. Institutul de astronomie RAS lucrează activ la acest proiect. În 2018, va fi lansat telescopul spațial american. James Webb este următoarea generație în comparație cu im. Hubble. Rezoluția sa va fi mult mai mare și vom putea observa compoziția atmosferei în acele exoplanete pe care le știm, cumva rezolvăm structura lor, sistemul climatic. Dar trebuie să înțelegem că acesta este un instrument astronomic comun - în mod natural, va exista o concurență foarte puternică, precum și la CT. Hubble: cineva vrea să privească galaxia, cineva - stelele, altcineva ceva. Sunt planificate mai multe misiuni specializate pentru explorarea exoplanetelor,de exemplu, TESS-ul NASA (Transiting Exoplanet Survey Satellite). De fapt, în următorii 10 ani, ne putem aștepta la o avansare semnificativă a cunoștințelor noastre despre exoplanete în general și despre exoplanetele potențial locuibile precum Pământul, în special.
Valery Shematovich, doctor în fizică și matematică, șeful departamentului de cercetare a sistemului solar, Institutul de astronomie, Academia Rusă de Științe
