Atklāto eksoplanetu skaits nepārtraukti pieaug. Un mums vairs nav tik svarīgi atrast citu eksoplanetu, kā atrast tādu, kur varētu būt dzīvība, no kurienes prāti var lidot pie mums vai kur mēs, iespējams, mēs lidosim, kad Zeme kļūst krampīga vai nav piemērota dzīvībai. Kā atrast …
Ko mēs meklējam?
Ko mums nozīmē potenciāli apdzīvojamā planēta? Šī ir planēta, kurā var būt dzīvība baktēriju vai pat augu un dzīvnieku formā, vai arī planēta, kurā dzīvība evolūcijas rezultātā ir sasniegusi saprātīgu formu, tādu kā mūsējā, vai pat to pārspēj. Un, protams, planēta, kur mēs varam, ja iedomājamies starpzvaigžņu ceļojuma pieejamību, aiziet un tur justies kā mājās. Neizslēdzot nepieciešamību pēc tā reljefa veidošanas.
Mums ir tikai viens apdzīvojamās planētas piemērs - mūsu Zeme. No tālās telpas tas izskatās kā tik tikko atšķirams zils punkts. Tiek pieņemts, ka apstākļi uz Zemes ir vispiemērotākie dzīvības rašanai un tās pastāvīgai pastāvēšanai. Mēs varam arī pieņemt, ka līdzīgas citas planētas īpašības ļaus dzīvībai uz tās pastāvēt ilgu laiku. Planēta var būt nedaudz lielāka vai mazāka, nedaudz siltāka vai vēsāka, bet tomēr līdzīga mūsējai.
Jā, mēs pieturēsimies pie oglekļa šovinisma. Kaut kas liek domāt, ka, piemēram, mums būs grūti nodibināt kontaktu ar silīcija vai slāpekļa dzīvi, un diez vai apstākļi uz planētām, kas piemērotas šādu dzīvības formu pastāvēšanai, mums nav piemēroti.
Bet visas zvaigznes, izņemot dzimto Sauli, ir ļoti tālu no mums. Kā jūs varat uzzināt kaut ko par viņu planētām? Mēs sūtām zondes uz mūsu "tuvu" planētām, kuru lidojums var aizņemt gadus. Daudzi no viņiem nespēj atgriezties, un tāpēc visi pētījumi notiek ierašanās vietā. Uz Zemes tiek atgriezta tikai to instrumentu apkopotā informācija. Kā mēs varam uzzināt kaut ko par planētu, uz kuru šodien mēs fiziski nevaram nosūtīt pat vienu pētījumu zondi? Turklāt jau ir atklātas daudzas interesantas eksoplanetes. Ir veidi.
Reklāmas video:
Izmērs
Eksoplanētas lielums parasti ir pirmais parametrs, ko zinātnieki zina, kad tā tiek atklāta. Tranzīta metode ļauj atklāt planētas netālu no citām zvaigznēm un noteikt to lielumu. Šī ir rekordliela metode atklātām planētām. Tieši šādā veidā Keplera riņķošanas teleskops atver planētas. Drīzāk zinātnieki, kuri apstrādā no viņa saņemtos datus.
Īpaši šo metodi atklāja planēta Kepler-438b. Atklāts 2015. gada janvārī Lyra zvaigznājā, tas jau sen tiek uzskatīts par Zemei līdzīgāko eksoplanetu. Gan pēc lieluma, gan pēc temperatūras virsmā tas ir gandrīz identisks Zemei. Tās līdzības indekss (Zemes līdzības indekss, ESI) ir 0,88 (attiecīgi mūsu planēta tiek pieņemta kā 1).
Pati tranzīta metode neļauj noteikt planētas klātbūtni kādā noteiktā zvaigznē. Ar tās palīdzību viņi meklē planētas netālu no zvaigznēm noteiktās debesu daļās. Tādas observatorijas kā Keplers novēro debesu zonas ar tūkstošiem un pat desmitiem un simtiem tūkstošu zvaigžņu. Lielākā daļa no tām ir neredzamas ar neapbruņotu aci. Periodiski dažu zvaigžņu gaisma kādu laiku mazinās. Reģistrējot zvaigznes spilgtuma kritumu, zinātnieki pieļauj, ka to izraisa planētas pārvietošanās tās priekšā. Tas ir, starp novērotāju - teleskopu - un zvaigzni parādās šķērslis, kas, protams, no zvaigznes novērotāja viedokļa izraisa zvaigznes spilgtuma samazināšanos.
Tranzīta metode / & copy; wikipedia.org
Ja šāds spilgtuma kritums notiek regulāri, tad jau ir vairāk iemesla uzskatīt, ka šai zvaigznei ir planēta. Turklāt kļūst zināms tās orbitālais periods.
Turklāt, lai noteiktu planētu, tās orbitālo plakni, zvaigznei un teleskopam praktiski jāatrodas vienā līnijā. Pretējā gadījumā to vienkārši nevar reģistrēt. Tas faktiski ir neliels aptumsums. Arī mūsu sistēmā ir līdzīgas parādības. Piemēram, mēness paslēpj saules disku saules aptumsuma laikā. Vai arī mūsu vietējās planētas - Venera un Merkurs - periodiski iet pa Saules disku.
Un, kā jau minēts, tranzīta metode ļauj noteikt debess ķermeņa izmērus - rādiusu un tilpumu. Galu galā tas, par kādu zvaigznes kritumu samazinās, ir atkarīgs no eksoplanetes lieluma, kas iet caur tās disku. Precīzi nosakot šo vērtību, jūs varat noteikt planētas lielumu. Piemēram, Kepler-438b ir tikai par 12% lielāks nekā Zeme.
Svars
Pirmā eksoplanete, kas tika atklāta "normālā", tas ir, saulei līdzīgā zvaigznī, bija 51 Pegasus. Kādu laiku viņu sauca Bellerophon, bet tagad viņa saņēma oficiālo vārdu "Dimidius". Pirms tam eksoplanetes tika atklātas tikai pie pulsāriem. Dimidijs atrodas 50,1 gaismas gadu attālumā no mums, un sākotnēji to uzskatīja par cietai zemei līdzīgu planētu, kas, protams, izraisīja interesi par viņu.
Planēta tika atklāta ar Doplera spektroskopiju vai ar radiālo ātrumu metodi. Un vēlāk tā esamību apstiprināja ar tranzīta metodi. Lai gan biežāk tas notiek tieši otrādi.
Doplera spektroskopijas metode / & copy; wikipedia.org
Doplera metodes gadījumā mēs arī neredzam pašu planētu, bet vērojam tikai zvaigznes gaismu. Bet šoreiz mūs neinteresē spilgtuma kritums, bet gan sarkanas vai zilas maiņas klātbūtne tā spektrā. Ja zvaigzne virzās prom no mums, tās spektrs pāriet uz sarkano pusi, ja tā tuvojas mums, tad zilajai. Kāpēc zvaigzne nekustās? Tā kā planēta griežas orbītā ap zvaigzni, kas, tēlaini izsakoties, satricina savu zvaigzni, liek tai svārstīties un attiecīgi vai nu tuvojas novērotājam, vai arī attālinās no viņa.
Abi debess ķermeņi pārvietojas vienā masas centrā. Astronomi jau ir iemācījušies noteikt zvaigžņu masu, un, zinot to, jūs varat noteikt planētas masu. Eksoplanētas masa un rādiuss ļauj noskaidrot gravitācijas paātrinājumu uz tās virsmas. Tas nozīmē, ka mēs, piemēram, varam uzminēt, cik ērti mēs justos, ja mēs piezemētos uz planētas. Turklāt tas ļauj jums saprast, vai planēta var noturēt atmosfēru. Un pat pieņem, ka tajā ir vai nav noteiktas gāzes. Piemēram, uz Zemes, kā zināms, gāzes apvalkā nav viegla ūdeņraža un hēlija. Un masveida Jupiters ir pilnīgi pretējs.
Pats Dimidiuss, kā izrādījās, nepavisam nebija piemērots dzīvei. Tas attēlo tā saukto "karsto Jupiteru" - gāzes gigantu ar atmosfēru, kas pēc dažām aplēsēm ir uzkarsēts līdz 1000 ° C. Tās masa ir aptuveni vienāda ar pusi no Jupitera masas, kas, starp citu, ir atspoguļota nosaukumā (latīņu vārds dimidium nozīmē "puse").
Blīvums
Kā redzam, planētas masu un lielumu ne vienmēr var noteikt vienlaicīgi. Tas prasa divas metodes - tranzītu un Dopleru. Bet pēc tam mēs varam uzzināt arī blīvumu, kas tiek definēts kā ķermeņa masas attiecība pret šī ķermeņa aizņemto tilpumu. Un tiek aprēķināts planētu tilpums, ja rādiuss ir zināms.
Kepler-78b atrodas aptuveni 400 gaismas gadu attālumā. Un šī ir pirmā Zemes izmēra planēta, kurai bija iespējams aprēķināt blīvumu. Tas, protams, ir par 16% lielāks nekā Zeme un par aptuveni 69–85% smagāks, bet tomēr tā blīvums ir 5,3–5,6 g / cm³. Mūsu planētai šis skaitlis ir 5,52 g / cm³. Tas liek domāt, ka planēta, tāpat kā Zeme, sastāv no dzelzs un klints. Šeit ir tikai viena lieta - šeit beidzas līdzības ar mūsu planētu.
Planēta atrodas pārāk tuvu tās vecākajai zvaigznei: tās atdala tikai 0,01 AU. e) Orbītas periods ir neticami mazs - tas ir tikai 8,5 stundas. Tāpēc dzīves meklējumi šeit, visticamāk, ir bezjēdzīgi: šī planēta ir lavas okeāns. Temperatūra apgaismotajā pusē ir no 2100 līdz 2800 ° C. Tās virsma ir pārklāta ar lavu.
Atrodoties apdzīvojamā zonā
Eksoplaneta Kepler-452b, kas atrodas Cygnus zvaigznājā 1400 gaismas gadu attālumā, ir pirmā Zemei līdzīgā planēta, kas atklāta saulei līdzīgas zvaigznes "apdzīvojamā zonā". Planētas orbitālais periods ir 385 Zemes dienas. Tas ir, gads tajā ir tikai par 5% ilgāks nekā uz Zemes. Attiecīgi tas atrodas tikai nedaudz tālāk no saules. Attālums no planētas līdz zvaigznei Kepler-452 (orbītas puslīdz galvenā ass) ir 1,046 AU. e) starp citu, pati zvaigzne ir par 10% lielāka nekā mūsu Saule. Kepler-452 apdzīvojamā zona ir gandrīz tāda pati kā Saules sistēmai.
Kepler-452b ir saukts par "otro zemi", taču tas joprojām ir par 60% lielāks. Bet Kepler-186f kļuva par pirmo planētu ar rādiusu tuvu Zemei, kas tika atklāta apdzīvojamā zonā. Tas ir tikai par 13% lielāks nekā mūsu planēta. Un tāpat kā Kepler-452b, tas tika atklāts ar tranzīta metodi, pateicoties Keplera teleskopam. Bet apdzīvojamā zona šajā zvaigžņu sistēmā ir mazāka: tā atrodas intervālā no 0,22 AU. e., līdz 0,4 a. e., un pati planēta ir tikpat tuvu savai zvaigznei, sarkanajam pundurim Kepler-186, jo mūsu dzīvsudrabs atrodas Saulei - tās orbītas puslīdz galvenā ass ir 0,393 AU. e) starp citu, kā liecina planētas nosaukums, Keplera-186 ģimenē tas nav viens. Bet visas četras viņas "māsas" ar "nosaukumiem" b, c, d un e nenokļuva apdzīvojamā zonā. Tie ir ļoti tuvu zvaigznei, un tur ir pārāk karsts, lai virspusē nonāktu šķidrs ūdens.
Saules sistēmas apdzīvojamo zonu salīdzinājums, Kepler-452b un Kepler-186f / & copy; wikipedia.org
Šīs un vairums citu planētu tiek uzskatītas par potenciāli apdzīvojamām galvenokārt tāpēc, ka tās atrodas savu zvaigžņu apdzīvojamās zonās - tas ir, vietās, kur planēta var saņemt pietiekami daudz enerģijas, lai planētas lielāko daļu ūdens noturētu šķidrā veidā. Šo zonu aprēķina, pamatojoties uz zvaigznes lielumu un spilgtumu.
Atmosfēras sastāvs un biomarķieri
Bet kas ļauj no tālienes pateikt, ka dzīve tomēr izmantoja izdevību un pamodās uz kādreiz nedzīvas planētas? Pirmkārt, noteiktu ķīmisku savienojumu - biomarķieru - klātbūtne planētas atmosfērā, kas, piemēram, saka, ka dzīvība uz planētas "elpo", tas ir, daži bioloģiski procesi tajā notiek. Piemēram, ņemiet skābekli un oglekļa dioksīdu. Pirmo izdala augi fotosintēzes rezultātā, un dzīvnieki to patērē elpošanas procesā, otro izelpo dzīvnieki un absorbē augi. Bet tas ir tikai viens piemērs.
Kopumā tiek izdalīti pieci biomarķieri: ūdens, oglekļa dioksīds, metāns, skābeklis un ozons. Protams, katram no viņiem var būt savs dabiskais, kas nav saistīts ar dzīvi, izcelsmi. Bet, ja tie tiek atrasti kopā un pat uz planētas, kas līdzīga Zemei, tad varbūtība, ka tā tiks apdzīvota, būs liela.
Eksplanētas atmosfēras ķīmisko sastāvu var uzzināt vairākos veidos. Pirmais notiek planētas tranzīta laikā. Metodi sauc par "transmisijas spektroskopiju". Planēta pārvietojas starp novērotāju uz Zemes un tās zvaigzni. Zvaigžņu gaisma iziet cauri eksoplanētas atmosfērai un sasniedz novērotāju. Bet šajā gadījumā daļa gaismas planētas atmosfērā tiks absorbēta. Ja veicat spektrālo analīzi, varat atrast ķīmiskos elementus, kas tajā piedalījās. Sadalot zvaigznes gaismu varavīksnes spektrā, jūs varat pievērst uzmanību kritieniem - tumšām šaurām spektrālajām līnijām, no kurām katra atbilst konkrētam ķīmiskajam elementam.
Spektroskopijas metode / & copy; solarsystem.jpl.nasa.gov
Ar potenciālo eksoplanētu meklēšanas uzdevumiem nāksies aizstāt modernos Keplera un Habla teleskopus. Aizstājot pirmo - TESS, tiks meklētas eksoplanetes, otrās - “Džeimsa Veba” pēctecis - detalizēti izpētīs katru atrasto.
Ir vēl divi daudzsološi veidi. Mēs redzam Saules sistēmas planētas, jo tās atspoguļo mūsu zvaigznes gaismu. Visas planētas spīd ar atstarotu gaismu. Ieskaitot eksoplanetes. Mēs jau varam redzēt gaismu, kas nāk no dažām planētām. Un šeit mēs atkal varam izveidot spektru un mēģināt atrast biomarķierus. Bet turklāt, kā tas var šķist pārsteidzoši, planētas var "spīdēt" un pašas iegūt gaismu. Šajā gadījumā mēs runājam par infrasarkano starojumu, kas nav redzams cilvēka acij. Abas šīs metodes ietver tiešu planētas izpēti, nevis gaismas, kas nāk no zvaigznes. Un šeit nav svarīgi, kā tās orbītas plakne tiek pagriezta pret mūsu planētu. Bet nopietni atklājumi šajā jomā vēl ir priekšā. Mums vēl nav pietiekami jaudīgu teleskopu.
Planētas zarnas
Varētu šķist, ka eksoplanetu ķīmisko sastāvu diez vai ir iespējams noteikt, taču zinātnieki cenšas to izdarīt. Tādējādi divas no piecām eksoplanētām, kas 2012. gadā tika atklātas netālu no zvaigznes Tau Ceti, steidza reģistrēt kā potenciāli apdzīvojamas. Bet 2015. gadā astrofiziķi no Arizonas Universitātes Tuksonā (ASV) noteica zvaigznes ķīmisko sastāvu. Viņi secināja, ka Tau Ceti zarnās ir daudz vairāk magnija nekā mūsu Saule.
Zvaigzne un ap to riņķojošās planētas veidojās no tā paša gāzes un putekļu mākoņa. Līdz ar to, pēc zinātnieku domām, šo planētu apvalka augšējā un dziļā slānī ir ievērojams magniju saturošu iežu - olivīna un ferroperiklāzes - pārpalikums. Būdami elastīgāki un šķidrāki nekā ieži, kas dominē mūsu planētas zarnās, tie ilgstoši kavē litosfēras plākšņu veidošanos un garozas veidošanos.
Piemērota "saule"
Neskatoties uz to, ka Kepler-438b jau ir ļoti līdzīgs Zemei (labi, vismaz no tālienes - mūs šķir apmēram 470 gaismas gadi), tā zvaigzne neizskatās pēc mūsu mierīgās Saules. Kepler-438 ir sarkans punduris, kura masa un izmērs ir uz pusi mazāks kā mūsu zvaigznei. Un tas pieder pie uzliesmojošām (mainīgām) zvaigznēm, kuras vairākas reizes spēj strauji un neperiodiski palielināt to spožumu. Pētot zvaigzni, zinātnieki atklāja, ka Kepler-438 uzliesmojumi notiek diezgan bieži: reizi vairākos simtos dienu. Viņu jauda ir desmit reizes lielāka par saules enerģiju. Šie uzliesmojumi, iespējams, ir saistīti ar koronālo masu izmešanu, kam var būt nopietnas postošas sekas uz planētas apdzīvojamību. Šādā vētrainā vidē planētai ir grūti izveidot atmosfēru, jo tā ir pakļauta pārmērīgi bīstamam starojumam un, visticamāk, tā ir vietanederīgs dzīvei.
Keplers-438b un viņa zvaigzne / & copy; wikipedia.org
Ja dzīvība varētu parādīties uz šādas planētas, tad, iespējams, tās dzīve būtu īslaicīga. Zinātnieki, protams, cer, ka Kepler-438b var būt magnētiskais lauks, kas līdzīgs Zemei, taču pat tas, iespējams, nepalīdzēs planētai šādos apstākļos.
Magnetosfēra
Globālā magnētiskā lauka klātbūtne ir nepieciešams dzīvības pastāvēšanas nosacījums. Tas aizsargā planētu no kosmiskā starojuma un neļauj saules vējam izpūst atmosfēru. Kā jūs to varat atrast?
Atrodoties Zemes virsmā, mēs zinām par tās esamību, pateicoties kompasam. Magnētiskā adata, brīvi griežoties ap savu asi, atrodas gar Zemes magnētiskā lauka spēka līnijām. Vēl viena magnētiskā lauka esamības pazīme ir auroras. Tos izraisa saules vēja straumes, kas nonāk polārajā jonosfērā. Zemes auroras ir skaidri redzamas no kosmosa, piemēram, no Starptautiskās kosmosa stacijas. Bet ievērojamā attālumā tos vairs nevar atšķirt.
Bet tas nav svarīgi. Fakts ir tāds, ka papildus starojumam redzamajā diapazonā auroras rada arī zemas frekvences radioviļņus. Bet tie skaisti izplatās kosmosā, tos ir daudz vieglāk atklāt nekā pašu mirdzumu. Piemēram, aurora uz Jupitera pirmo reizi tika ierakstīta šādā veidā - pateicoties radio izstarojumam.
Auroras Jupitera ziemeļpolā / & copy; nasa.gov
Turklāt šī metode ļaus atklāt eksoplanetes, kuras iepriekš nav atklātas ar citām metodēm, noteikt dienas garumu uz planētas, ass slīpumu attiecībā pret orbitālo plakni un magnētiskā lauka slīpumu attiecībā pret planētas rotācijas asi, tā rotācijas periodu un orbītas periodu, un dažos gadījumos pat satelītu klātbūtni. Nu, faktiski, nosakiet magnētiskā lauka parametrus.
Starp instrumentiem, uz kuriem atsaucas astrofiziķi, ir LOFAR un SKA zemas frekvences uz zemes bāzēti radioteleskopi. Un nākotnē - kosmosa radio observatorijas un pat teleskopi uz Mēness, kas ir lieliski piemēroti šim mērķim.
Svešzemju pilsētu un citu "eksotisko" zīmju apgaismojums naktī
Atgriezīsimies pie tā, kā mūsu, protams, apdzīvojamā planēta izskatās no kosmosa, kamēr to apdzīvo viedās dzīves pārstāvji. Jau tuvojoties tai, hipotētisks citplanētietis varēja redzēt mūsu pilsētu apgaismojumu planētas neapgaismotajā pusē, saņemt mūsu radiosignālus un pat, iespējams, tos atšifrēt, kā arī iepriekš skatīties mūsu TV programmas, pat pirms ierašanās uz planētas, iepazīstoties ar vietējo dzīvi. To visu varēja izdarīt no tālu kosmosa, izmantojot atbilstošu aprīkojumu. Tātad zemes zinātnieki jau ir domājuši un nevis meklē citu civilizāciju pazīmes, mākslīgi apgaismojot viņu apmetnes tālās pasaulēs?
Divi slaveni amerikāņu astrofiziķi - Abrahams Loebs no Hārvardas universitātes un Edvins Tērners no Prinstonas - ieteica meklēt mākslīgi apgaismotus objektus, kas pilnā spilgtumā būtu salīdzināmi ar lielu sauszemes pilsētu Saules sistēmas nomalē, it īpaši Kuipera joslā, un vēlāk, kad tie uzlabojas optiskos teleskopus, paplašiniet šo metodi ārpus Saules sistēmas. Sakarā ar mākslīgā apgaismojuma atšķirīgo spektrālo sastāvu to būs diezgan viegli atdalīt no vecāku zvaigznes gaismas, kuru atspoguļo planēta.
Pilsētu gaisma svešās pasaulēs, kuras attēlo mākslinieks / & copy; Deivids A. Aguilars
Bet Lisa Kaltenegger no Hārvardas universitātes ierosina paplašināt biomarķieru sarakstu ar vielām, kuru izcelsme ir tikai mākslīga. Tas ir, tie, kas dabā nevajadzētu veidoties, un primitīvie organismi tos neražo. Piemēram, hlorfluorogļūdeņraži. Tas labi absorbē spektra infrasarkanos starus, kas nozīmē, ka to var atrast citu planētu atmosfērā. Ja mēs kādreiz tos atrodam, tad mēs varam ar pārliecību teikt, ka kaut kur kosmosā joprojām ir dzīvās būtnes, kas ir attīstījušās līdz tādam līmenim, ka sāka "civilizēti" piesārņot viņu planētu.
Kopumā mēs varam teikt, ka to zīmju skaits, pēc kurām mēs varam spriest par planētu iespējamo apdzīvojamību, tikai pieaugs. Lai dzīvība parādītos uz planētas, ir jāizpilda pārāk daudz nosacījumu. Un tie visi jāidentificē, lai būtu pārliecināti: planēta var būt apdzīvota. Bet tam mums nepieciešami jauni, labāki rīki.
Sergejs Sobols