Kako traže planete u naseljenoj zoni, koji su uvjeti potrebni za formiranje života i što je zanimljivo za otkriće egzoplanete Proxima b
Stanovna zona, koja se na engleskom jeziku naziva naseljena zona, je prostor u prostoru s najpovoljnijim uvjetima za život zemaljskog tipa. Pojam stanište znači da su ispunjeni gotovo svi uvjeti za život, mi to jednostavno ne vidimo. Prikladnost za život određena je sljedećim čimbenicima: prisutnost vode u tekućem obliku, dovoljno gusta atmosfera, kemijska raznolikost (jednostavne i složene molekule na bazi H, C, N, O, S i P) i prisutnost zvijezde koja donosi potrebnu količinu energije.
Povijest studija: zemaljski planeti
S gledišta astrofizike, bilo je nekoliko podražaja za nastanak koncepta nastanjive zone. Razmotrimo naš Sunčev sustav i četiri zemaljska planeta: Merkur, Veneru, Zemlju i Mars. Merkur nema atmosferu, a previše je blizu Suncu, prema tome, nije nam baš zanimljiv. Ovo je planet s tužnom sudbinom, jer čak i da je imao atmosferu, odnio bi ga solarni vjetar, odnosno tok plazme koji neprekidno teče iz zvijezde korone.
Razmislite o ostatku zemaljskih planeta u Sunčevom sustavu - to su Venera, Zemlja i Mars. Nastali su praktički na istom mjestu i pod istim uvjetima prije ~ 4,5 milijardi godina. I zato bi s gledišta astrofizike njihova evolucija trebala biti sasvim slična. Sada, na početku svemirskog doba, kada smo napredovali u istraživanju ovih planeta pomoću svemirskih letjelica, dobiveni rezultati pokazali su izuzetno različite uvjete na tim planetima. Sada znamo da Venera ima vrlo visok pritisak i vrlo je vruća na površini, 460-480 ° C - to su temperature na kojima se mnoge tvari čak tope. I iz prvih panoramskih snimaka površine vidjeli smo da je posve neživa i praktički nije prilagođena životu. Čitava površina je jednog kontinenta.
Zemaljski planeti - Merkur, Venera, Zemlja, Mars
Promotivni video:
commons.wikimedia.org
S druge strane, Mars. To je hladan svijet. Mars je izgubio atmosferu. Ovo je opet pustinjska površina, iako postoje planine i vulkani. Atmosfera ugljičnog dioksida vrlo je tanka; ako je bilo vode, tada je bila sva smrznuta. Mars ima polarnu kapu, a nedavni rezultati misije na Mars sugeriraju da led postoji pod pješčanim pokrivačem - regolitom.
I Zemlja. Vrlo povoljna temperatura, voda se ne smrzava (barem ne svugdje). I upravo je na Zemlji nastao život - i primitivni i višećelijski, inteligentni život. Čini se da vidimo mali dio Sunčevog sustava, u kojem su formirane tri planete, nazvane zemaljskim planetima, ali njihova je evolucija potpuno drugačija. I na tim prvim idejama o mogućim putovima evolucije samih planeta nastala je ideja nastanjive zone.
Granice nastanjivih zona
Astrofizičari promatraju i proučavaju svijet oko nas, vanjski prostor koji nas okružuje, odnosno naš sunčev sustav i planetarni sustav u drugim zvijezdama. A kako biste se nekako sistematizirali, gdje potražiti, koji će se predmeti zanimati, trebate razumjeti kako odrediti nastanjivu zonu. Oduvijek smo vjerovali da bi druge zvijezde trebale imati planete, ali instrumentalna snaga omogućila nam je otkrivanje prvih egzoplaneta - planeta smještenih izvan Sunčevog sustava - prije samo 20 godina.
Kako se određuju unutarnja i vanjska granica nastanjive zone? Vjeruje se da je u našem Sunčevom sustavu naseljena zona smještena na udaljenosti od 0,95 do 1,37 astronomskih jedinica od Sunca. Znamo da je Zemlja od Sunca 1 astronomska jedinica (AU), Venera 0,7 AU. e., Mars - 1,5 a. To jest, ako znamo svjetlinu zvijezde, tada je vrlo lako izračunati središte nastanjene zone - samo trebate uzeti kvadratni korijen omjera svjetline ove zvijezde i uputiti se na blistavost Sunca, to jest:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Ovdje je Rae prosječni radijus nastanjene zone u astronomskim jedinicama, a Lstar i Lsun bolometrijske svjetline tražene zvijezde, odnosno Sunca. Granice nastanjive zone utvrđuju se na osnovu zahtjeva za postojanjem tekuće vode na planetima smještenim u njoj, budući da je ona neophodno otapalo u mnogim biomehaničkim reakcijama. Iza vanjske granice nastanjive zone, planet ne prima dovoljno sunčevog zračenja da nadoknadi gubitke zračenja, a njegova će se temperatura spustiti ispod točke smrzavanja vode. Planet koji se nalazi bliže zvijezdi od unutarnje granice nastanjive zone bit će pretjerano zagrijan njegovim zračenjem, uslijed čega će voda ispariti.
Još strože, unutarnja granica određena je i udaljenošću planeta od zvijezde i sastavom njezine atmosfere, a posebno prisutnošću takozvanih stakleničkih plinova: vodene pare, ugljičnog dioksida, metana, amonijaka i drugih. Kao što znate, staklenički plinovi uzrokuju zagrijavanje atmosfere, što u slučaju katastrofalno rastućeg efekta staklenika (na primjer, rana Venera) dovodi do isparavanja vode s površine planeta i gubitka iz atmosfere.
Vanjska granica već je druga strana pitanja. Može biti mnogo dalje kad ima malo energije Sunca i prisustvo stakleničkih plinova u atmosferi Marsa nije dovoljno za efekt staklenika koji bi stvorio blagu klimu. Čim količina energije postane nedovoljna, staklenički plinovi (vodena para, metan itd.) Iz atmosfere se kondenziraju, padaju kao kiša ili snijeg, i tako dalje. A stvarni staklenički plinovi nakupili su se pod polarnom kapom na Marsu.
Vrlo je važno reći jednu riječ o životnoj zoni zvijezda izvan našeg Sunčevog sustava: potencijal je zona potencijalnog stanovanja, odnosno u njoj su ispunjeni uvjeti koji su neophodni, ali nisu dovoljni za formiranje života. Ovdje trebamo razgovarati o održivosti planeta, kada se uvede niz geofizičkih i biokemijskih pojava i procesa, poput magnetskog polja planeta, tektonike ploča, trajanja planetarnih dana i tako dalje. Navedene pojave i procesi sada se aktivno proučavaju u novom smjeru astronomskog istraživanja - astrobiologiji.
Potražite planete u naseljenoj zoni
Astrofizičari jednostavno traže planete, a zatim utvrđuju jesu li u naseljenoj zoni. Iz astronomskih promatranja možete vidjeti gdje se nalazi ovaj planet, gdje je njegova orbita. Ako se nalazite u zoni stanovanja, tada se odmah povećava interes za ovaj planet. Dalje, morate proučiti ovaj planet u drugim aspektima: atmosferi, kemijskoj raznolikosti, prisutnosti vode i izvora topline. To nas već pomalo izvodi izvan zagrada pojma "potencijala". Ali glavni problem je što su sve ove zvijezde jako daleko.
Jedna je stvar vidjeti planet u blizini zvijezde poput Sunca. Postoji niz egzoplaneta sličnih našoj Zemlji - takozvane pod- i super-Zemlje, odnosno planete čiji su radijusi blizu ili malo veći od polumjera Zemlje. Astrofizičari ih proučavaju atmosferu, ne vidimo površine - samo u izoliranim slučajevima, takozvano izravno snimanje, kada vidimo samo vrlo udaljenu točku. Stoga moramo proučiti ima li ovaj planet atmosferu i ako jest, kakav je njezin sastav, koji su tamo plinovi i tako dalje.
Exoplanet (crvena točka na lijevoj strani) i smeđi patuljak 2M1207b (u sredini). Prva slika snimljena tehnologijom izravnog snimanja 2004. godine
ESO / VLT
U širokom smislu potraga za životom izvan Sunčevog sustava, a u Sunčevom sustavu, je potraga za takozvanim biomarkerima. Smatra se da su biomarkeri kemijski spojevi biološkog porijekla. Znamo da je, na primjer, glavni biomarker na Zemlji prisutnost kisika u atmosferi. Znamo da je na ranoj Zemlji bilo vrlo malo kisika. Najjednostavniji, primitivni život nastao je rano, višećelijski život nastao je prilično kasno, da ne spominjemo inteligentan. Ali tada se, zbog fotosinteze, počeo stvarati kisik, atmosfera se promijenila. A ovo je jedan od mogućih biomarkera. Sada iz drugih teorija znamo da postoji određeni broj planeta s atmosferom kisika, ali stvaranje molekularnog kisika tamo ne uzrokuju biološki, već obični fizički procesi,recimo raspadanje vodene pare pod utjecajem zvjezdanih ultraljubičastoga zračenja. Stoga sav entuzijazam da čim vidimo molekularni kisik, bit će to biomarker, nije u potpunosti opravdan.
Misija "Kepler"
Svemirski teleskop Kepler (CT) jedna je od najuspješnijih astronomskih misija (naravno, nakon svemirskog teleskopa Hubble). Cilj mu je pronaći planete. Zahvaljujući Kepler CT-u napravili smo kvantni skok u istraživanju egzoplaneta.
Kepler CT bio je fokusiran na jedan način otkrivanja - tzv tranzite, kad je fotometar - jedini instrument na satelitu - pratio promjenu svjetline zvijezde u trenutku kad je planet prošao između nje i teleskopa. To je dalo podatke o orbiti planeta, njegovoj masi, temperaturnom režimu. To je omogućilo identificiranje oko 4500 potencijalnih planetarnih kandidata tijekom prvog dijela ove misije.
Svemirski teleskop "Kepler"
NASA
U astrofizici, astronomiji i, vjerojatno, u svim prirodnim znanostima, uobičajeno je potvrditi otkrića. Fotometar bilježi da se svjetlina zvijezde mijenja, ali što to može značiti? Možda zvijezda ima neke unutarnje procese koji vode promjenama; planete prolaze - potamnjela je. Stoga je potrebno sagledati učestalost promjena. Ali da biste sigurno rekli da postoje planete, to morate potvrditi na neki način - na primjer, promjenom radijalne brzine zvijezde. Odnosno, sada postoji oko 3600 planeta - to su planeti potvrđeni s nekoliko metoda promatranja. A ima gotovo 5000 potencijalnih kandidata.
Proxima Centauri
U kolovozu 2016. godine stigla je potvrda o postojanju planeta po imenu Proxima b u blizini zvijezde Proxime Centauri. Zašto je svima to toliko zanimljivo? Iz vrlo jednostavnog razloga: to je najbliža zvijezda našem Suncu na udaljenosti od 4,2 svjetlosne godine (to jest, svjetlost prelazi tu udaljenost za 4,2 godine). Ovo nam je najbliža egzoplaneta i, možda, najbliže nebesko tijelo Sunčevom sustavu, na kojem život može postojati. Prva mjerenja izvršena su 2012. godine, ali budući da je ova zvijezda hladan crveni patuljak, moralo se izvršiti vrlo dugačak niz mjerenja. I niz znanstvenih timova iz Europskog južnog opservatorija (ESO) promatrali su zvijezdu nekoliko godina. Napravili su web stranicu pod nazivom Pale Red Dot (palereddot.org - ed.), Odnosno 'blijedo crvena točka', i tamo objavili zapažanja. Astronomi su privukli različite promatrače, a bilo je moguće pratiti rezultate promatranja u javnoj domeni. Dakle, bilo je moguće pratiti sam proces otkrića ove planete gotovo na mreži. A naziv promatračkog programa i web mjesta seže u pojam Pale Red Dot koji je skovao poznati američki znanstvenik Carl Sagan za slike planeta Zemlje koje su svemirske letjelice prenijele iz dubine Sunčevog sustava. Kada pokušavamo pronaći planet poput Zemlje u drugim sustavima zvijezda, možemo pokušati zamisliti kako naš planet izgleda iz svemirskih dubina. Ovaj je projekt nazvan Pale Blue Dot ('blijedoplava točka'), jer s prostora, zbog svjetlosti atmosfere, naš je planet vidljiv kao plava točka.bilo je moguće pratiti sam proces otkrića ove planete gotovo na mreži. A naziv promatračkog programa i web mjesta seže u pojam Pale Red Dot koji je skovao poznati američki znanstvenik Carl Sagan za slike planeta Zemlje koje su svemirske letjelice prenijele iz dubine Sunčevog sustava. Kada pokušavamo pronaći planet poput Zemlje u drugim sustavima zvijezda, možemo pokušati zamisliti kako naš planet izgleda iz svemirskih dubina. Ovaj je projekt nazvan Pale Blue Dot ('blijedoplava točka'), jer s prostora, zbog svjetlosti atmosfere, naš je planet vidljiv kao plava točka.bilo je moguće pratiti sam proces otkrića ove planete gotovo na mreži. A naziv promatračkog programa i web mjesta seže u pojam Pale Red Dot koji je skovao poznati američki znanstvenik Carl Sagan za slike planeta Zemlje koje su svemirske letjelice prenosile iz dubine Sunčevog sustava. Kada pokušavamo pronaći planet poput Zemlje u drugim sustavima zvijezda, možemo pokušati zamisliti kako naš planet izgleda iz svemirskih dubina. Ovaj je projekt nazvan Pale Blue Dot ('blijedoplava točka'), jer s prostora, zbog svjetlosti atmosfere, naš je planet vidljiv kao plava točka.koji je predložio poznati američki znanstvenik Carl Sagan za slike planeta Zemlje, koje su svemirskim brodicama prenijele iz dubine Sunčevog sustava. Kada pokušavamo pronaći planet poput Zemlje u drugim sustavima zvijezda, možemo pokušati zamisliti kako naš planet izgleda iz svemirskih dubina. Ovaj je projekt nazvan Pale Blue Dot ('blijedoplava točka'), jer iz svemira je, zbog blistavosti atmosfere, naš planet vidljiv kao plava točka.koji je predložio poznati američki znanstvenik Carl Sagan za slike planeta Zemlje, koje su svemirskim brodicama prenijele iz dubine Sunčevog sustava. Kada pokušavamo pronaći planet poput Zemlje u drugim sustavima zvijezda, možemo pokušati zamisliti kako naš planet izgleda iz svemirskih dubina. Ovaj je projekt nazvan Pale Blue Dot, jer se iz svemira, zbog blistavosti atmosfere, naš planet vidi kao plava točka.
Planeta Proxima b našla se u naseljenoj zoni svoje zvijezde i relativno blizu Zemlje. Ako smo mi, planeta Zemlja, 1 astronomska jedinica od naše zvijezde, onda je taj novi planet 0,05, odnosno 200 puta bliži. Ali zvijezda svijetli bliže, hladnije je i već na takvim udaljenostima pada u takozvanu zonu hvatanja plime. Dok je Zemlja uhvatila Mjesec i oni se rotirali zajedno, ovdje je ista situacija. Ali istodobno je jedna strana planeta zagrijana, a druga hladna.
Navodni krajolik Proxime Centauri b kako je vidio umjetnik
ESO / M. Kornmesser
Postoje takvi klimatski uvjeti, sustav vjetrova koji izmjenjuju toplinu između grijanog i tamnog dijela, a na granicama ovih hemisfera mogu se stvoriti prilično povoljni uvjeti za život. Ali problem planete Proxime Centauri b je u tome što je matična zvijezda crveni patuljak. Crveni patuljci žive prilično dugo, ali imaju jedno specifično svojstvo: vrlo su aktivni. Postoje zvjezdane rakete, izbacivanje koronalne mase i tako dalje. Dosta je znanstvenih članaka o ovom sustavu već objavljeno, gdje, primjerice, kažu da je za razliku od Zemlje, razina ultraljubičastoga zračenja tamo 20-30 puta veća. To jest, da bi na površini bili povoljni uvjeti, atmosfera mora biti dovoljno gusta da štiti od zračenja. Ali ovo nam je jedina egzoplaneta najbliža,koja se može detaljno proučiti sljedećom generacijom astronomskih instrumenata. Promatrajte njegovu atmosferu, pogledajte što se tamo događa, postoje li staklenički plinovi, kakva je klima tamo, postoje li tamo biomarkeri. Astrofizičari će proučavati planet Proxima b, vrući objekt za istraživanje.
perspektive
Čekamo nekoliko novih zemaljskih i svemirskih teleskopa, novih instrumenata koji će se lansirati. U Rusiji će to biti svemirski teleskop Spektr-UF. Institut za astronomiju Ruske akademije znanosti aktivno radi na ovom projektu. 2018. godine lansirat će američki svemirski teleskop. James Webb je sljedeća generacija u odnosu na CT im. Hubble. Njegova razlučivost bit će mnogo veća, pa ćemo moći promatrati sastav atmosfere na onim egzoplanetima o kojima znamo, na neki način riješiti njihovu strukturu, klimatski sustav. Ali treba shvatiti da je to uobičajen astronomski instrument - naravno, bit će vrlo jaka konkurencija, kao i na CT-u. Hubble: netko želi gledati galaksiju, netko - zvijezde, netko drugi nešto. Planirano je nekoliko specijaliziranih misija za istraživanje egzoplaneta,npr. NASA-in TESS (tranzitni satelit za anketu egzoplaneta). Zapravo, u narednih 10 godina možemo očekivati značajan napredak u našem znanju o egzoplanetima općenito i, posebno, o potencijalno useljivim egzoplanetima poput Zemlje.
Valery Shematovich, doktor fizike i matematike, voditelj Odjela za istraživanje solarnog sustava Instituta za astronomiju Ruske akademije znanosti