Kā viņi meklē planētas apdzīvojamā zonā, kādi apstākļi ir nepieciešami dzīvības veidošanai un kas ir interesanti par eksoplanetes Proxima b atklāšanu
Apdzīvojamā zona, ko angliski sauc par apdzīvojamo zonu, ir teritorija kosmosā ar vislabvēlīgākajiem sauszemes tipa dzīves apstākļiem. Termins biotops nozīmē, ka ir izpildīti gandrīz visi dzīves apstākļi, mēs to vienkārši neredzam. Piemērotību dzīvībai nosaka šādi faktori: ūdens klātbūtne šķidrā veidā, pietiekami blīva atmosfēra, ķīmiskā daudzveidība (vienkāršas un sarežģītas molekulas, kuru pamatā ir H, C, N, O, S un P) un zvaigznes klātbūtne, kas ienes nepieciešamo enerģijas daudzumu.
Studiju vēsture: zemes planētas
No astrofizikas viedokļa pastāv vairāki stimuli apdzīvojamās zonas jēdziena rašanās. Apsveriet mūsu Saules sistēmu un četras zemes planētas: Merkura, Venēras, Zemes un Marsa. Merkūram nav atmosfēras, un tas ir pārāk tuvu Saulei, tāpēc mums tas nav īpaši interesants. Šī ir planēta ar bēdīgu likteni, jo pat ja tai būtu atmosfēra, to aizvestu saules vējš, tas ir, plazmas straume, kas nepārtraukti plūst no zvaigznes koronas.
Apsveriet pārējās Saules sistēmas sauszemes planētas - tās ir Venera, Zeme un Marss. Viņi radās praktiski tajā pašā vietā un tādos pašos apstākļos pirms ~ 4,5 miljardiem gadu. Un tāpēc no astrofizikas viedokļa to evolūcijai vajadzētu būt diezgan līdzīgai. Tagad, kosmosa laikmeta sākumā, kad mēs esam progresējuši šo planētu izpētē, izmantojot kosmosa kuģus, iegūtie rezultāti parādīja ārkārtīgi atšķirīgus apstākļus uz šīm planētām. Mēs tagad zinām, ka Venērai ir ļoti augsts spiediens un tā virsma ir ļoti karsta (460–480 ° C) - tā ir temperatūra, kurā daudzas vielas pat izkūst. Un no pirmajiem virsmas panorāmas kadriem mēs redzējām, ka tā ir pilnīgi nedzīva un praktiski nav pielāgota dzīvei. Visa virsma ir viens kontinents.
Sauszemes planētas - Merkurs, Venēra, Zeme, Marss
Reklāmas video:
commons.wikimedia.org
No otras puses, Marss. Tā ir auksta pasaule. Marss ir zaudējis atmosfēru. Šī atkal ir tuksneša virsma, lai gan ir kalni un vulkāni. Oglekļa dioksīda atmosfēra ir ļoti plāna; ja ūdens bija tur, tad tas viss bija sasalis. Marsam ir polārā vāciņš, un nesenie misijas uz Marsu rezultāti liek domāt, ka zem smilšaina seguma - regolīta - pastāv ledus.
Un Zeme. Ļoti labvēlīga temperatūra, ūdens nesasalst (vismaz ne visur). Un tieši uz Zemes radās dzīvība - gan primitīva, gan daudzšūnu, inteliģenta dzīve. Šķiet, ka mēs redzam nelielu Saules sistēmas daļu, kurā izveidojās trīs planētas, kuras sauc par zemes planētām, taču to evolūcija ir pilnīgi atšķirīga. Un uz šīm pirmajām idejām par iespējamajiem pašu planētu evolūcijas ceļiem radās ideja par apdzīvojamo zonu.
Apdzīvojamās zonas robežas
Astrofiziķi novēro un pēta pasauli ap mums, kosmosu, kas mūs ieskauj, tas ir, mūsu Saules sistēmu un planētu sistēmas citās zvaigznēs. Un, lai kaut kā sistematizētu, kur meklēt, kādus objektus interesēt, jums ir jāsaprot, kā noteikt apdzīvojamo zonu. Mēs vienmēr esam uzskatījuši, ka citām zvaigznēm vajadzētu būt planētām, taču instrumentālā jauda ļāva mums atklāt pirms pirmajiem 20 gadiem pirmās eksoplanetes - planētas, kas atrodas ārpus Saules sistēmas.
Kā nosaka apdzīvojamās zonas iekšējās un ārējās robežas? Tiek uzskatīts, ka mūsu Saules sistēmā apdzīvojamā zona atrodas attālumā no 0,95 līdz 1,37 astronomiskām vienībām no Saules. Mēs zinām, ka Zeme atrodas 1 astronomiskā vienībā (AU) no Saules, Venēra ir 0,7 AU. e., Marss - 1,5 a. Tas ir, ja mēs zinām zvaigznes spožumu, tad ir ļoti viegli aprēķināt apdzīvojamās zonas centru - jums vienkārši jāņem kvadrātsakne no šīs zvaigznes spilgtuma attiecības un jāatsaucas uz Saules spilgtumu, tas ir:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Šeit Rae ir apdzīvojamās zonas vidējais rādiuss astronomiskās vienībās, bet Lstar un Lsun ir attiecīgi meklētās zvaigznes un Saules bolometriskais apgaismojums. Apdzīvojamās zonas robežas tiek noteiktas, pamatojoties uz prasību par šķidra ūdens klātbūtni uz planētām, kas tajā atrodas, jo tas ir nepieciešams šķīdinātājs daudzās biomehāniskās reakcijās. Aiz apdzīvojamās zonas ārējās robežas planēta nesaņem pietiekami daudz saules starojuma, lai kompensētu starojuma zudumus, un tās temperatūra pazemināsies zem ūdens sasalšanas punkta. Planēta, kas atrodas tuvāk zvaigznei nekā apdzīvojamās zonas iekšējā robeža, to pārmērīgi karsē ar tās starojumu, kā rezultātā ūdens iztvaiko.
Stingri sakot, iekšējo robežu nosaka gan planētas attālums no zvaigznes, gan tās atmosfēras sastāvs, un jo īpaši tā saucamo siltumnīcefekta gāzu klātbūtne: ūdens tvaiki, oglekļa dioksīds, metāns, amonjaks un citi. Kā jūs zināt, siltumnīcefekta gāzes izraisa atmosfēras sildīšanu, kas katastrofāli augoša siltumnīcas efekta gadījumā (piemēram, agrā Venēra) noved pie ūdens iztvaikošanas no planētas virsmas un zudumiem no atmosfēras.
Ārējā robeža jau ir šī jautājuma otra puse. Tas var būt daudz tālāk, ja no Saules ir maz enerģijas un siltumnīcefekta gāzu klātbūtne Marsa atmosfērā nav pietiekama, lai siltumnīcas efekts radītu maigu klimatu. Tiklīdz enerģijas daudzums kļūst nepietiekams, siltumnīcefekta gāzes (ūdens tvaiki, metāns utt.) No atmosfēras kondensējas, nokrīt kā lietus vai sniegs utt. Un faktiskās siltumnīcefekta gāzes ir uzkrājušās zem Marsa polārā vāciņa.
Ir ļoti svarīgi pateikt vienu vārdu par apdzīvojamo zonu zvaigznēm ārpus mūsu Saules sistēmas: potenciāls ir potenciālās apdzīvojamības zona, tas ir, tajā tiek ievēroti apstākļi, kas ir nepieciešami, bet nav pietiekami dzīvības veidošanai. Šeit ir jārunā par planētas dzīvotspēju, kad spēlē nonāk vairākas ģeofizikālas un bioķīmiskas parādības un procesi, piemēram, magnētiskā lauka klātbūtne, plākšņu tektonika, planētu dienu ilgums utt. Uzskaitītās parādības un procesi tagad tiek aktīvi pētīti jaunā astronomisko pētījumu virzienā - astrobioloģijā.
Apmeklējiet planētas apdzīvojamā zonā
Astrofiziķi vienkārši meklē planētas un pēc tam nosaka, vai tās atrodas apdzīvojamā zonā. No astronomiskajiem novērojumiem var redzēt, kur atrodas šī planēta, kur atrodas tās orbīta. Ja tas atrodas apdzīvojamā zonā, tad nekavējoties palielinās interese par šo planētu. Tālāk jums jāpēta šī planēta citos aspektos: atmosfērā, ķīmiskajā daudzveidībā, ūdens klātbūtnē un siltuma avotā. Tas jau nedaudz mūs aizved ārpus jēdziena "potenciāls" iekavās. Bet galvenā problēma ir tā, ka visas šīs zvaigznes atrodas ļoti tālu.
Ir viena lieta redzēt planētu netālu no tādas zvaigznes kā Saule. Ir virkne eksoplanētu, kas ir līdzīgas mūsu Zemei - tā sauktajām sub- un superzemēm, tas ir, planētām, kuru rādiuss ir tuvu vai nedaudz pārsniedz Zemes rādiusu. Astrofiziķi tos pēta, pētot atmosfēru, mēs neredzam virsmas - tikai atsevišķos gadījumos, tā saukto tiešo attēlveidošanu, kad mēs redzam tikai ļoti tālu punktu. Tāpēc mums ir jāizpēta, vai šai planētai ir atmosfēra, un ja tā, kāds ir tās sastāvs, kādas gāzes tur ir utt.
Exoplanet (sarkans punkts kreisajā pusē) un brūns punduris 2M1207b (vidū). Pirmais attēls, kas uzņemts, izmantojot tiešās attēlveidošanas tehnoloģiju, 2004. gadā
ESO / VLT
Plašā nozīmē dzīves meklēšana ārpus Saules sistēmas un Saules sistēmā ir tā saukto biomarķieru meklēšana. Tiek uzskatīts, ka biomarķieri ir bioloģiskas izcelsmes ķīmiski savienojumi. Mēs zinām, ka galvenais biomarķieris uz Zemes, piemēram, ir skābekļa klātbūtne atmosfērā. Mēs zinām, ka uz agrīnās Zemes bija ļoti maz skābekļa. Vienkāršākā, primitīvākā dzīve radās agri, daudzšūnu dzīve radās diezgan vēlu, nemaz nerunājot par inteliģenci. Bet tad fotosintēzes dēļ sāka veidoties skābeklis, mainījās atmosfēra. Un tas ir viens no iespējamiem biomarķieriem. Tagad no citām teorijām mēs zinām, ka ir vairākas planētas ar skābekļa atmosfēru, bet molekulārā skābekļa veidošanos izraisa nevis bioloģiski, bet gan parasti fiziski procesi,pieņemsim, ka ūdens tvaiku sadalīšanās zvaigžņu ultravioletā starojuma ietekmē. Tāpēc viss entuziasms, ka tiklīdz mēs redzēsim molekulāro skābekli, tas būs biomarķieris, nav pilnībā pamatots.
Misija "Kepler"
Keplera kosmiskais teleskops (CT) ir viena no veiksmīgākajām astronomiskajām misijām (protams, pēc Habla kosmiskā teleskopa). Tā mērķis ir atrast planētas. Pateicoties Keplera CT, mēs esam veikuši kvantu lēcienu eksoplanētu izpētē.
Keplera CT bija vērsta uz vienu atklāšanas veidu - tā dēvēto tranzītu, kad fotometrs - vienīgais instruments, kas atrodas uz satelīta - izsekoja zvaigznes spilgtuma izmaiņām brīdī, kad planēta pārgāja starp to un teleskopu. Tas sniedza informāciju par planētas orbītu, tās masu, temperatūras režīmu. Un tas ļāva identificēt aptuveni 4500 potenciālos planētas kandidātus šīs misijas pirmās daļas laikā.
Kosmiskais teleskops "Kepler"
NASA
Astrofizikā, astronomijā un, iespējams, arī visās dabaszinātnēs ir ierasts apstiprināt atklājumus. Fotometrs reģistrē, ka mainās zvaigznes spilgtums, bet ko tas var nozīmēt? Varbūt zvaigznei ir kādi iekšēji procesi, kas izraisa izmaiņas; planētas pāriet - tas ir aptumšots. Tāpēc ir nepieciešams apskatīt izmaiņu biežumu. Bet, lai droši apgalvotu, ka tur ir planētas, tas kaut kādā veidā ir jāapstiprina - piemēram, mainot zvaigznes radiālo ātrumu. Tas ir, tagad ir aptuveni 3600 planētu - tās ir planētas, kas apstiprinātas ar vairākām novērošanas metodēm. Un ir gandrīz 5000 potenciālo kandidātu.
Proxima Centauri
2016. gada augustā tika saņemts apstiprinājums par planētas Proxima b klātbūtni netālu no zvaigznes Proxima Centauri. Kāpēc tas ir tik interesants visiem? Ļoti vienkārša iemesla dēļ: tā ir vistuvāk zvaigzne mūsu Saulei 4,2 gaismas gadu attālumā (tas ir, gaisma šo attālumu sedz 4,2 gadu laikā). Šī ir mums tuvākā eksoplanete un, iespējams, vistuvākais debesu ķermenis Saules sistēmai, uz kuras var pastāvēt dzīvība. Pirmie mērījumi tika veikti 2012. gadā, bet, tā kā šī zvaigzne ir vēss sarkans punduris, bija jāveic ļoti gara mērījumu sērija. Un vairākas zinātniskās komandas no Eiropas Dienvidu observatorijas (ESO) vairākus gadus ir novērojušas zvaigzni. Viņi izveidoja vietni ar nosaukumu Pale Red Dot (palereddot.org - red.), Tas ir, “gaiši sarkans punkts”, un ievietoja tajā novērojumus. Astronomi piesaistīja dažādus novērotājus, un bija iespējams izsekot novērojumu rezultātiem publiskajā telpā. Tātad bija iespējams sekot pašam šīs planētas atklāšanas procesam gandrīz tiešsaistē. Novērojošās programmas un tīmekļa vietnes nosaukums meklējams terminā Pale Red Dot, ko izcēla pazīstamais amerikāņu zinātnieks Karls Sagans uz Zemes planētas attēliem, ko kosmosa kuģi pārraida no Saules sistēmas dziļumiem. Mēģinot atrast tādu planētu kā Zeme citās zvaigžņu sistēmās, mēs varam mēģināt iedomāties, kā mūsu planēta izskatās no kosmosa dziļuma. Šis projekts tika nosaukts par bāli zilu punktu ('gaiši zils punkts'), jo no kosmosa atmosfēras spilgtuma dēļ mūsu planēta ir redzama kā zils punkts.bija iespējams sekot pašam šīs planētas atklāšanas procesam gandrīz tiešsaistē. Novērojošās programmas un tīmekļa vietnes nosaukums meklējams terminā Pale Red Dot, ko izcēla pazīstamais amerikāņu zinātnieks Karls Sagans uz Zemes planētas attēliem, ko kosmosa kuģi pārraida no Saules sistēmas dziļumiem. Mēģinot atrast tādu planētu kā Zeme citās zvaigžņu sistēmās, mēs varam mēģināt iedomāties, kā mūsu planēta izskatās no kosmosa dziļuma. Šis projekts tika nosaukts par bāli zilu punktu, jo no kosmosa atmosfēras spilgtuma dēļ mūsu planēta ir redzama kā zils punkts.bija iespējams sekot pašam šīs planētas atklāšanas procesam gandrīz tiešsaistē. Novērojošās programmas un tīmekļa vietnes nosaukums meklējams terminā Pale Red Dot, ko izcēla pazīstamais amerikāņu zinātnieks Karls Sagans uz Zemes planētas attēliem, ko kosmosa kuģi pārraida no Saules sistēmas dziļumiem. Mēģinot atrast tādu planētu kā Zeme citās zvaigžņu sistēmās, mēs varam mēģināt iedomāties, kā mūsu planēta izskatās no kosmosa dziļuma. Šis projekts tika nosaukts par bāli zilu punktu ('gaiši zils punkts'), jo no kosmosa atmosfēras spilgtuma dēļ mūsu planēta ir redzama kā zils punkts.slavenā amerikāņu zinātnieka Karla Sagāna ierosinātos uz planētas Zeme attēliem, ko kosmosa kuģi pārraida no Saules sistēmas dziļumiem. Mēģinot atrast tādu planētu kā Zeme citās zvaigžņu sistēmās, mēs varam mēģināt iedomāties, kā mūsu planēta izskatās no kosmosa dziļuma. Šis projekts tika nosaukts par bāli zilu punktu ('gaiši zils punkts'), jo no kosmosa atmosfēras spilgtuma dēļ mūsu planēta ir redzama kā zils punkts.slavenā amerikāņu zinātnieka Karla Sagāna ierosinātos uz planētas Zeme attēliem, ko kosmosa kuģi pārraida no Saules sistēmas dziļumiem. Mēģinot atrast tādu planētu kā Zeme citās zvaigžņu sistēmās, mēs varam mēģināt iedomāties, kā mūsu planēta izskatās no kosmosa dziļuma. Šis projekts tika nosaukts par bāli zilu punktu ('gaiši zils punkts'), jo no kosmosa atmosfēras spilgtuma dēļ mūsu planēta ir redzama kā zils punkts.
Planēta Proxima b atradās savas zvaigznes apdzīvojamā zonā un salīdzinoši tuvu Zemei. Ja mēs, planēta Zeme, atrodamies 1 astronomiskā vienībā no mūsu zvaigznes, tad šī jaunā planēta ir 0,05, tas ir, 200 reizes tuvāk. Bet zvaigzne spīd vājāk, tā ir vēsāka, un jau šādos attālumos tā iekrīt tā dēvētajā plūdmaiņu uztveršanas zonā. Kad Zeme uztvēra Mēnesi un tie rotē kopā, šeit ir tāda pati situācija. Bet tajā pašā laikā viena planētas puse ir sasilusi, bet otrā - auksta.
Proxima Centauri b iespējamā ainava, kā to redzējis mākslinieks
ESO / M. Kornmessers
Pastāv tādi klimatiskie apstākļi, vēju sistēma, kas apmaina siltumu starp apsildāmo daļu un tumšo daļu, un uz šo pusložu robežām var būt diezgan labvēlīgi apstākļi dzīvībai. Bet planētas Proxima Centauri b problēma ir tā, ka vecāku zvaigzne ir sarkans punduris. Sarkanie punduri dzīvo diezgan ilgu laiku, taču viņiem ir viena īpaša īpašība: viņi ir ļoti aktīvi. Ir zvaigžņu signālraķetes, koronālas masas izgrūšana utt. Par šo sistēmu jau ir publicēts diezgan daudz zinātnisku rakstu, kur, piemēram, teikts, ka atšķirībā no Zemes ultravioletā starojuma līmenis tur ir 20-30 reizes augstāks. Tas ir, lai uz virsmas būtu labvēlīgi apstākļi, atmosfērai jābūt pietiekami blīvai, lai aizsargātu pret radiāciju. Bet šī ir vienīgā mums vistuvākā eksoplanete,ko var sīki izpētīt ar nākamās paaudzes astronomiskajiem instrumentiem. Novērojiet tā atmosfēru, redziet, kas tur notiek, vai ir siltumnīcefekta gāzes, kāds ir tur klimats, vai tur ir biomarķieri. Astrofiziķi pētīs planētu Proxima b - karstu pētījumu objektu.
Perspektīvas
Mēs gaidām vairāku jaunu zemes un kosmosa teleskopu, jaunu instrumentu palaišanu. Krievijā tas būs Spektr-UF kosmiskais teleskops. Krievijas Zinātņu akadēmijas Astronomijas institūts aktīvi strādā pie šī projekta. 2018. gadā tiks palaists Amerikas kosmiskais teleskops. Džeimss Vebs ir nākamā paaudze, salīdzinot ar CT im. Habls. Tā izšķirtspēja būs daudz augstāka, un mēs varēsim novērot atmosfēras sastāvu tajās eksoplanetes, kuras mēs zinām, kaut kā atrisināt to struktūru, klimatisko sistēmu. Bet mums ir jāsaprot, ka tas ir parasts astronomisks instruments - protams, būs ļoti spēcīga konkurence, tāpat kā CT. Habls: kāds vēlas skatīties galaktiku, kāds - zvaigznes, kāds cits kaut ko. Plānotas vairākas specializētas misijas eksoplanētu izpētei,piemēram, NASA TESS (tranzīta Exoplanet Survey Satellite). Faktiski nākamo 10 gadu laikā mēs varam sagaidīt ievērojamu progresu mūsu zināšanās par eksoplanetām kopumā un jo īpaši par potenciāli apdzīvojamajām eksoplanetām, piemēram, Zemi.
Valērijs Šematovičs, fizikas un matemātikas doktors, Krievijas Zinātņu akadēmijas Astronomijas institūta Saules sistēmas izpētes nodaļas vadītājs