Hvordan ser de efter planeter i den beboelige zone, hvilke betingelser er nødvendige for dannelse af liv og hvad er interessant ved opdagelsen af eksoplaneten Proxima b
Den beboelige zone, der på engelsk kaldes den beboelige zone, er et område i rummet med de mest gunstige livsvilkår for den landlige type. Udtrykket habitat betyder, at næsten alle livsvilkår er opfyldt, vi ser det bare ikke. Livets egnethed bestemmes af følgende faktorer: tilstedeværelsen af vand i flydende form, en tilstrækkelig tæt atmosfære, kemisk mangfoldighed (enkle og komplekse molekyler baseret på H, C, N, O, S og P) og tilstedeværelsen af en stjerne, der bringer den krævede mængde energi.
Undersøg historie: terrestriske planeter
Fra astrofysikens synspunkt var der adskillige stimuli til fremkomsten af konceptet om en beboelig zone. Overvej vores solsystem og fire landlige planeter: Kviksølv, Venus, Jorden og Mars. Kvikksølv har ingen atmosfære, og det er for tæt på solen, derfor ikke meget interessant for os. Dette er en planet med en trist skæbne, for selv hvis den havde en atmosfære, ville den blive ført væk af solvinden, dvs. en strøm af plasma, der kontinuerligt strømmer fra stjernens korona.
Overvej resten af de jordiske planeter i solsystemet - disse er Venus, Jorden og Mars. De opstod praktisk talt på samme sted og under de samme forhold ~ 4,5 milliarder år siden. Og derfor, set fra astrofysik, bør deres udvikling være ret ens. I begyndelsen af rumalderen, da vi er kommet frem til studiet af disse planeter ved hjælp af rumfartøjer, viste de opnåede resultater ekstremt forskellige forhold på disse planeter. Vi ved nu, at Venus har meget højt tryk og er meget varmt på overfladen, 460-480 ° C - dette er temperaturer, hvor mange stoffer endda smelter. Og fra de første panoramabilleder på overfladen så vi, at det er helt livløst og praktisk talt ikke tilpasset livet. Hele overfladen er et kontinent.
Terrestriske planeter - Kvikksølv, Venus, Jorden, Mars
Salgsfremmende video:
commons.wikimedia.org
På den anden side Mars. Det er en kold verden. Mars har mistet sin atmosfære. Dette er igen en ørkenoverflade, skønt der er bjerge og vulkaner. Kuldioxidatmosfære er meget tynd; hvis vandet var der, så var det hele frossent. Mars har en polær hætte, og de nylige resultater fra en mission til Mars antyder, at der findes is under den sandede dækning - regolitten.
Og Jorden. Meget gunstig temperatur, vand fryser ikke (i det mindste ikke overalt). Og det var på Jorden, at livet opstod - både primitivt og flercelligt, intelligent liv. Det ser ud til, at vi ser en lille del af solsystemet, hvor tre planeter, kaldet jordiske planeter, blev dannet, men deres udvikling er helt anderledes. Og på disse første ideer om de mulige stier til udvikling af selve planeterne opstod ideen om den beboelige zone.
Behovelige zonegrænser
Astrofysikere observerer og studerer verden omkring os, det ydre rum omkring os, det vil sige vores solsystem og andre stjerners planetsystemer. Og for på en eller anden måde at systematisere, hvor man skal se, hvilke genstande man skal være interesseret i, skal man forstå, hvordan man fastlægger den beboelige zone. Vi har altid troet, at andre stjerner skulle have planeter, men instrumental kraft gjorde det muligt for os at opdage de første exoplaneter - planeter beliggende uden for solsystemet - for bare 20 år siden.
Hvordan bestemmes de indre og ydre grænser for den beboelige zone? Det antages, at i vores solsystem findes den beboelige zone i en afstand fra 0,95 til 1,37 astronomiske enheder fra solen. Vi ved, at Jorden er en astronomisk enhed (AU) fra solen, Venus er 0,7 AU. e., Mars - 1,5 a. Det vil sige, hvis vi kender en stjernes lysstyrke, så er det meget let at beregne midten af den beboelige zone - du skal bare tage kvadratroden til lysets styrke for denne stjerne og henvise til Solens lysstyrke, det vil sige:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Her er Rae den gennemsnitlige radius for den beboelige zone i astronomiske enheder, og Lstar og Lsun er henholdsvis bolometriske lysstyrker for den eftersøgte stjerne og solen. Grænserne for den beboelige zone fastlægges på baggrund af kravet om tilstedeværelse af flydende vand på de planeter, der er placeret i det, da det er et nødvendigt opløsningsmiddel i mange biomekaniske reaktioner. Ud over den ydre grænse for den beboelige zone modtager planeten ikke nok solstråling til at kompensere for strålingstab, og dens temperatur vil falde under frysepunktet for vand. En planet, der ligger tættere på stjernen end den indre grænse af den beboelige zone, vil blive overdreven opvarmet af dens stråling, som et resultat heraf vil vandet fordampe.
Mere strengt bestemmes den indre grænse både af planetens afstand fra stjernen og af dens atmosfære, og især af tilstedeværelsen af de såkaldte drivhusgasser: vanddamp, kuldioxid, methan, ammoniak og andre. Som du ved, forårsager drivhusgasser opvarmning af atmosfæren, hvilket i tilfælde af en katastrofalt voksende drivhuseffekt (for eksempel tidligt Venus) fører til fordampning af vand fra planetens overflade og tab af atmosfæren.
Den ydre grænse er allerede den anden side af problemet. Det kan være meget længere, når der er lidt energi fra solen, og tilstedeværelsen af drivhusgasser i Mars-atmosfæren er ikke nok til, at drivhuseffekten skaber et mildt klima. Så snart energimængden bliver utilstrækkelig, kondenserer drivhusgasser (vanddamp, metan osv.) Fra atmosfæren, falder som regn eller sne osv. Og de faktiske drivhusgasser er akkumuleret under polarhætten på Mars.
Det er meget vigtigt at sige et ord om den beboelige zone for stjerner uden for vores solsystem: potentiale er en zone med potentiel beboelsesevne, det vil sige, at betingelser er opfyldt i det, der er nødvendige, men ikke tilstrækkelige til dannelse af liv. Her er det nødvendigt at tale om planetens levedygtighed, når et antal geofysiske og biokemiske fænomener og processer kommer i spil, såsom tilstedeværelsen af et magnetfelt, pladetektonik, varigheden af planetariske dage osv. De anførte fænomener og processer studeres nu aktivt i en ny retning af astronomisk forskning - astrobiologi.
Søg efter planeter i den beboelige zone
Astrofysikere kigger blot efter planeter og bestemmer derefter, om de er i den beboelige zone. Fra astronomiske observationer kan du se, hvor denne planet er placeret, hvor dens bane er. Hvis du er i den beboelige zone, øges straks interessen for denne planet. Dernæst skal du studere denne planet i andre aspekter: atmosfære, kemisk mangfoldighed, tilstedeværelsen af vand og varmekilden. Dette tager os allerede lidt uden for parenteserne af begrebet "potentiale". Men det største problem er, at alle disse stjerner er meget langt væk.
Det er en ting at se en planet i nærheden af en stjerne som Solen. Der er et antal eksoplaneter, der ligner vores jord - de såkaldte under- og super-jordarter, det vil sige planeter med radier tæt på eller let overskrider jordens radius. Astrofysikere studerer dem ved at studere atmosfæren, vi ser ikke overflader - kun i isolerede tilfælde, den såkaldte direkte billeddannelse, når vi kun ser et meget fjernt punkt. Derfor må vi undersøge, om denne planet har en atmosfære, og i bekræftende fald, hvad er dens sammensætning, hvilke gasser der er osv.
Exoplanet (rød prik til venstre) og brun dværg 2M1207b (midt). Første billede taget ved hjælp af direkte billeddannelsesteknologi i 2004
ESO / VLT
I bred forstand er søgen efter liv uden for solsystemet og i solsystemet søgningen efter såkaldte biomarkører. Biomarkører antages at være kemiske forbindelser af biologisk oprindelse. Vi ved, at for eksempel den største biomarkør på Jorden er tilstedeværelsen af ilt i atmosfæren. Vi ved, at der var meget lidt ilt på den tidlige jord. Det enkleste, primitive liv opstod tidligt, flercellede liv opstod ganske sent, for ikke at nævne intelligent. Men så begyndte ilt at dannes på grund af fotosyntesen, atmosfæren ændrede sig. Og dette er en af de mulige biomarkører. Fra andre teorier ved vi, at der findes et antal planeter med ilt-atmosfærer, men dannelsen af molekylært ilt der er ikke forårsaget af biologiske, men af almindelige fysiske processer,lad os sige, at nedbrydningen af vanddamp under påvirkning af stjernernes ultraviolette stråling. Derfor er al entusiasme over, at så snart vi ser molekylært ilt, det vil være en biomarkør, ikke helt berettiget.
Mission "Kepler"
Kepler-rumteleskopet (CT) er en af de mest succesrige astronomiske missioner (selvfølgelig efter Hubble-rumteleskopet). Det sigter mod at finde planeter. Takket være Kepler CT har vi lavet et kvantespring inden for exoplanet-forskning.
Kepler CT var fokuseret på en måde at opdage - de såkaldte transitter, da et fotometer - det eneste instrument ombord satellitten - spores ændringen i lysstyrken for en stjerne i det øjeblik planeten passerede mellem den og teleskopet. Dette gav information om planetens bane, dens masse, temperaturregime. Og dette gjorde det muligt at identificere omkring 4500 potentielle planetariske kandidater under den første del af denne mission.
Rumteleskop "Kepler"
NASA
I astrofysik, astronomi og sandsynligvis i al naturvidenskab er det sædvanligt at bekræfte opdagelser. Fotometeret registrerer, at stjernens lysstyrke ændrer sig, men hvad kan det betyde? Måske har stjernen en slags interne processer, der fører til ændringer; planeterne passerer - det er mørklagt. Derfor er det nødvendigt at se på hyppigheden af ændringer. Men for at sige med sikkerhed, at der er planeter, skal du bekræfte dette på en eller anden måde - for eksempel ved at ændre stjernens radiale hastighed. Det vil sige, at der nu er omkring 3600 planeter - dette er planeter, der er bekræftet ved flere observationsmetoder. Og der er næsten 5.000 potentielle kandidater.
Proxima Centauri
I august 2016 modtog man bekræftelse af tilstedeværelsen af en planet ved navn Proxima b nær stjernen Proxima Centauri. Hvorfor er det så interessant for alle? Af en meget enkel grund: det er den nærmeste stjerne til vores sol i en afstand af 4,2 lysår (dvs. lys dækker denne afstand på 4,2 år). Dette er den tætteste exoplanet for os og muligvis det nærmeste himmellegeme til solsystemet, hvorpå livet kan eksistere. De første målinger blev foretaget i 2012, men da denne stjerne er en kølig rød dværg, måtte der foretages en meget lang række målinger. Og en række videnskabelige teams fra European Southern Observatory (ESO) har observeret stjernen i flere år. De lavede et websted kaldet Pale Red Dot (palereddot.org - red.), Det vil sige en 'lyserød prik' og offentliggjorde observationer der. Astronomer tiltrækkede forskellige observatører, og det var muligt at spore resultaterne af observationer i det offentlige rum. Så det var muligt at følge selve processen med opdagelsen af denne planet næsten online. Og navnet på det observerende program og webstedet går tilbage til udtrykket Bleg rød prik, opfundet af den kendte amerikanske videnskabsmand Carl Sagan for billeder af planeten Jorden transmitteret med rumfartøjer fra solsystemets dybder. Når vi prøver at finde en planet som Jorden i andre stjernesystemer, kan vi prøve at forestille os, hvordan vores planet ser ud fra rumdybden. Dette projekt blev navngivet Pale Blue Dot ('lyseblå prik'), fordi vores plads fra rummet på grund af atmosfærens lysstyrke er synlig som en blå prik.det var muligt at følge selve processen med opdagelsen af denne planet næsten online. Og navnet på det observationsprogram og webstedet går tilbage til udtrykket Pale Red Dot, opfundet af den kendte amerikanske videnskabsmand Carl Sagan for billeder af planeten Jorden transmitteret med rumfartøjer fra solsystemets dybder. Når vi prøver at finde en planet som Jorden i andre stjernesystemer, kan vi prøve at forestille os, hvordan vores planet ser ud fra rumdybden. Dette projekt blev navngivet Pale Blue Dot ('lyseblå prik'), fordi vores plads fra rummet på grund af atmosfærens lysstyrke er synlig som en blå prik.det var muligt at følge selve processen med opdagelsen af denne planet næsten online. Og navnet på det observationsprogram og webstedet går tilbage til udtrykket Bleg rød prik, der er opfundet af den kendte amerikanske videnskabsmand Carl Sagan for billeder af planeten Jorden transmitteret med rumfartøjer fra solsystemets dybder. Når vi prøver at finde en planet som Jorden i andre stjernesystemer, kan vi prøve at forestille os, hvordan vores planet ser ud fra rumdybden. Dette projekt blev navngivet Pale Blue Dot ('lyseblå prik'), fordi vores plads fra rummet på grund af atmosfærens lysstyrke er synlig som en blå prik.foreslået af den berømte amerikanske videnskabsmand Carl Sagan til billeder af planeten Jorden, transmitteret med rumfartøjer fra solsystemets dybder. Når vi prøver at finde en planet som Jorden i andre stjernesystemer, kan vi prøve at forestille os, hvordan vores planet ser ud fra rumdybden. Dette projekt blev navngivet Pale Blue Dot ('lyseblå prik'), fordi vores plads fra rummet på grund af atmosfærens lysstyrke er synlig som en blå prik.foreslået af den berømte amerikanske videnskabsmand Carl Sagan til billeder af planeten Jorden, transmitteret med rumfartøjer fra solsystemets dybder. Når vi prøver at finde en planet som Jorden i andre stjernesystemer, kan vi prøve at forestille os, hvordan vores planet ser ud fra rumdybden. Dette projekt blev navngivet Pale Blue Dot ('lyseblå prik'), fordi vores plads fra rummet på grund af atmosfærens lysstyrke er synlig som en blå prik.
Planet Proxima b befandt sig i den beboelige zone af sin stjerne og relativt tæt på Jorden. Hvis vi, planeten Jorden, er en astronomisk enhed fra vores stjerne, er denne nye planet 0,05, det vil sige 200 gange tættere. Men stjernen skinner svagere, den er koldere, og allerede i sådanne afstande falder den ind i den såkaldte tidevandszone. Da Jorden fangede Månen og de roterer sammen, er den samme situation her. Men på samme tid opvarmes den ene side af planeten, og den anden er kold.
Det påståede landskab af Proxima Centauri b set af kunstneren
ESO / M. Kornmesser
Der er sådanne klimaforhold, et system med vinde, der udveksler varme mellem den opvarmede del og den mørke del, og på grænserne af disse halvkugler kan der være ret gunstige livsvilkår. Men problemet med planeten Proxima Centauri b er, at moderstjernen er en rød dværg. Røde dværge lever ganske lang tid, men de har en bestemt egenskab: de er meget aktive. Der er stjerneforsyn, udsprøjtning af koronale masser og så videre. Der er allerede blevet offentliggjort en hel del videnskabelige artikler om dette system, hvor de for eksempel siger, at niveauet af ultraviolet stråling der i modsætning til Jorden er 20-30 gange højere. Det vil sige, at for at have gunstige forhold på overfladen, må atmosfæren være tæt nok til at beskytte mod stråling. Men dette er den eneste eksoplanet, der er tættest på os,som kan studeres detaljeret med den næste generation af astronomiske instrumenter. Overhold dens atmosfære, se hvad der sker der, om der er drivhusgasser, hvad er klimaet der, eller om der er biomarkører der. Astrofysikere vil studere planeten Proxima b, et varmt objekt til forskning.
perspektiver
Vi venter på, at flere nye jordbaserede og rumteleskoper, nye instrumenter skal lanceres. I Rusland vil dette være rumteleskopet Spektr-UF. Institutet for Astronomi fra Det Russiske Videnskabelige Akademi arbejder aktivt med dette projekt. I 2018 lanceres det amerikanske rumteleskop. James Webb er den næste generation sammenlignet med CT im. Hubble. Dens opløsning vil være meget højere, og vi vil være i stand til at observere sammensætningen af atmosfæren i de eksoplaneter, som vi kender, på en eller anden måde løse deres struktur, klimatiske system. Men vi må forstå, at dette er et almindeligt astronomisk instrument - der vil naturligvis være meget stærk konkurrence såvel som ved CT. Hubble: nogen vil se galaksen, nogen - stjernerne, nogen anden noget. Der er planlagt flere specialiserede missioner til at udforske eksoplaneter,fx NASAs TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Faktisk kan vi i de næste 10 år forvente en betydelig fremgang i vores viden om eksoplaneter generelt og om potentielt beboelige exoplaneter som Jorden, især.
Valery Shematovich, doktor i fysik og matematik, leder af instituttet for solsystemundersøgelser, Institut for astronomi, Det Russiske Videnskabelige Akademi