Как търсят планети в обитаемата зона, какви условия са необходими за формирането на живот и какво е интересно за откриването на екзопланетата Proxima b
Обитаемата зона, която на английски се нарича обитаема зона, е зона в пространството с най-благоприятните условия за живот от наземния тип. Терминът хабитат означава, че са изпълнени почти всички условия за живот, просто не го виждаме. Пригодността за живот се определя от следните фактори: наличието на вода в течна форма, достатъчно плътна атмосфера, химическо разнообразие (прости и сложни молекули на базата на H, C, N, O, S и P) и наличието на звезда, която носи необходимото количество енергия.
История на изследването: земни планети
От гледна точка на астрофизиката имаше няколко стимула за появата на концепцията за обитаема зона. Помислете за нашата Слънчева система и четири земни планети: Меркурий, Венера, Земя и Марс. Меркурий няма атмосфера и е твърде близо до Слънцето, следователно, не е много интересен за нас. Това е планета с тъжна съдба, защото дори и да имаше атмосфера, тя би се отнесла от слънчевия вятър, тоест поток от плазма, непрекъснато изтичащ от короната на звездата.
Помислете за останалите земни планети в Слънчевата система - това са Венера, Земята и Марс. Те са възникнали практически на същото място и при същите условия преди 4,5 милиарда години. И следователно, от гледна точка на астрофизиката, тяхната еволюция трябва да бъде доста сходна. Сега, в началото на космическата ера, когато сме напреднали в изучаването на тези планети с помощта на космически кораби, получените резултати показаха изключително различни условия на тези планети. Вече знаем, че Венера има много високо налягане и е много гореща на повърхността, 460-480 ° C - това са температури, при които много вещества дори се стопят. И още от първите панорамни снимки на повърхността видяхме, че тя е напълно неодушевена и практически не е адаптирана към живота. Цялата повърхност е един континент.
Земни планети - Меркурий, Венера, Земя, Марс
Промоционално видео:
commons.wikimedia.org
От друга страна, Марс. Това е студен свят. Марс е загубил атмосферата си. Това отново е пустинна повърхност, въпреки че има планини и вулкани. Атмосферата с въглероден диоксид е много тънка; ако водата е била там, значи цялата е била замръзнала. Марс има полярна шапка, а последните резултати от мисия до Марс предполагат, че ледът съществува под пясъчната покривка - реголита.
И Земята. Много благоприятна температура, водата не замръзва (поне не навсякъде). И именно на Земята възникна животът - както примитивен, така и многоклетъчен, интелигентен живот. Изглежда, че виждаме малка част от Слънчевата система, в която са се образували три планети, наречени земни планети, но еволюцията им е напълно различна. И на тези първи идеи за възможните еволюционни пътища на самите планети възникна идеята за обитаемата зона.
Граници на обитаемата зона
Астрофизиците наблюдават и изучават света около нас, космическото пространство, което ни заобикаля, тоест нашата Слънчева система и планетарните системи в други звезди. И за да се систематизира по някакъв начин, къде да се търси, кои обекти да се интересуват, трябва да разберете как да определите обитаемата зона. Винаги сме вярвали, че другите звезди трябва да имат планети, но инструменталната сила ни позволи да открием първите екзопланети - планети, разположени извън Слънчевата система - само преди 20 години.
Как се определят вътрешната и външната граница на обитаемата зона? Смята се, че в нашата Слънчева система обитаемата зона е разположена на разстояние от 0,95 до 1,37 астрономически единици от Слънцето. Знаем, че Земята е 1 астрономическа единица (AU) от Слънцето, Венера е 0,7 AU. е., Марс - 1,5 a. Тоест, ако знаем светимостта на звезда, тогава е много лесно да изчислим центъра на обитаемата зона - просто трябва да вземеш квадратния корен от съотношението на светимостта на тази звезда и да се отнесеш към светимостта на Слънцето, тоест:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Тук Rae е средният радиус на обитаемата зона в астрономическите единици, а Lstar и Lsun са съответно болометричните светимости на търсената звезда и Слънцето. Границите на обитаемата зона са определени въз основа на изискването за наличие на течна вода на планетите, разположени в нея, тъй като тя е необходим разтворител в много биомеханични реакции. Отвъд външната граница на обитаемата зона планетата не получава достатъчно слънчева радиация, за да компенсира радиационните загуби и нейната температура ще падне под точката на замръзване на водата. Планета, разположена по-близо до звездата от вътрешната граница на обитаемата зона, ще бъде прекомерно нагрята от нейното излъчване, в резултат на което водата ще се изпари.
По-строго вътрешната граница се определя както от разстоянието на планетата от звездата, така и от състава на нейната атмосфера и по-специално от наличието на така наречените парникови газове: водна пара, въглероден диоксид, метан, амоняк и други. Както знаете, парниковите газове причиняват нагряване на атмосферата, което в случай на катастрофално нарастващ парников ефект (например ранна Венера) води до изпаряване на водата от повърхността на планетата и загуба от атмосферата.
Външната граница вече е другата страна на въпроса. Може да бъде много по-далеч, когато има малко енергия от Слънцето и наличието на парникови газове в атмосферата на Марс не е достатъчно, за да може парниковият ефект да създаде мек климат. Веднага щом количеството енергия стане недостатъчно, парниковите газове (водна пара, метан и др.) От атмосферата се кондензират, падат като дъжд или сняг и т.н. И действителните парникови газове са се натрупали под полярната шапка на Марс.
Много е важно да кажем една дума за обитаемата зона за звезди извън нашата Слънчева система: потенциалът е зона с потенциално обитаемост, тоест в нея са изпълнени условия, които са необходими, но не са достатъчни за формирането на живота. Тук е необходимо да се говори за жизнеспособността на планетата, когато влезе в сила редица геофизични и биохимични явления и процеси, като наличието на магнитно поле, тектоника на плочите, продължителността на планетарните дни и т.н. Изброените явления и процеси сега се изучават активно в нова посока на астрономическите изследвания - астробиология.
Търсете планети в обитаемата зона
Астрофизиците просто търсят планети и след това определят дали са в обитаемата зона. От астрономическите наблюдения можете да видите къде се намира тази планета, къде е нейната орбита. Ако е в обитаемата зона, веднага интересът към тази планета се увеличава. На следващо място, трябва да изучите тази планета в други аспекти: атмосфера, химическо разнообразие, наличието на вода и източника на топлина. Това вече леко ни извежда извън скобите на концепцията за „потенциал“. Но основният проблем е, че всички тези звезди са много далеч.
Едно е да видиш планета близо до звезда като Слънцето. Има редица екзопланети, подобни на нашата Земя - т. Нар. Под- и супер-земни, тоест планети с радиуси, близки до или малко надвишаващи радиуса на Земята. Астрофизиците ги изучават, като изучават атмосферата, ние не виждаме повърхности - само в изолирани случаи, така нареченото директно изображение, когато виждаме само много далечна точка. Затова трябва да проучим дали тази планета има атмосфера и ако да, какъв е нейният състав, какви газове има и т.н.
Екзопланета (червена точка вляво) и кафяво джудже 2M1207b (в средата). Първо изображение, направено с помощта на технология за директно изображение през 2004 г.
ESO / VLT
В широк смисъл търсенето на живот извън Слънчевата система и в Слънчевата система е търсенето на така наречените биомаркери. Смята се, че биомаркерите са химически съединения от биологичен произход. Знаем, че основният биомаркер на Земята например е наличието на кислород в атмосферата. Знаем, че на ранната Земя имаше много малко кислород. Най-простият, примитивен живот възникна рано, многоклетъчният живот възникна доста късно, да не говорим за интелигентния. Но след това, поради фотосинтезата, започва да се образува кислород, атмосферата се променя. И това е един от възможните биомаркери. Сега от други теории знаем, че има редица планети с кислородна атмосфера, но образуването на молекулен кислород там се причинява не от биологични, а от обикновени физически процеси, т.е.да речем разграждането на водната пара под въздействието на звездното ултравиолетово лъчение. Следователно целият ентусиазъм, че веднага щом видим молекулярния кислород, той ще бъде биомаркер, не е напълно оправдан.
Мисия "Кеплер"
Космическият телескоп Kepler (CT) е една от най-успешните астрономически мисии (разбира се, след космическия телескоп Хъбъл). Тя има за цел да намери планети. Благодарение на Kepler CT, направихме квантов скок в изследванията на екзопланетите.
Kepler CT беше фокусиран върху един начин на откриване - така наречените транзити, когато фотометър - единственият инструмент на борда на спътника - проследяваше промяната в яркостта на звезда в момента, в който планетата преминава между нея и телескопа. Това даде информация за орбитата на планетата, нейната маса, температурен режим. И това даде възможност да се идентифицират около 4500 потенциални планетарни кандидати по време на първата част на тази мисия.
Космически телескоп "Kepler"
НАСА
В астрофизиката, астрономията и вероятно във всички природни науки е обичайно да се потвърждават откритията. Фотометърът записва, че яркостта на звездата се променя, но какво може да означава това? Може би звездата има някакви вътрешни процеси, водещи до промени; планетите минават - потъмнява се. Следователно е необходимо да се разгледа честотата на промените. Но за да се каже със сигурност, че там има планети, е необходимо да се потвърди това по някакъв начин - например чрез промяна на радиалната скорост на звездата. Тоест, сега има около 3600 планети - това са планети, потвърдени от няколко метода за наблюдение. И има почти 5000 потенциални кандидати.
Проксима Кентавър
През август 2016 г. беше получено потвърждение за наличието на планета на име Проксима b в близост до звездата Проксима Кентавър. Защо е толкова интересно за всички? По много проста причина: тя е най-близката звезда до нашето Слънце на разстояние 4,2 светлинни години (тоест светлината покрива това разстояние за 4,2 години). Това е най-близката до нас екзопланета и евентуално най-близкото небесно тяло до Слънчевата система, върху която животът може да съществува. Първите измервания бяха направени през 2012 г., но тъй като тази звезда е хладно червено джудже, трябваше да се направят много дълги серии от измервания. И редица научни екипи от Европейската южна обсерватория (ЕСО) наблюдават звездата от няколко години. Те направиха уебсайт, наречен Pale Red Dot (palereddot.org - ed.), Който е „бледочервена точка“, и публикуваха наблюдения там. Астрономите привличаха различни наблюдатели и беше възможно да се проследят резултатите от наблюденията в публичното пространство. Така че, беше възможно да се проследи самия процес на откриването на тази планета почти онлайн. И името на наблюдателната програма и уебсайт се връща към термина Pale Red Dot, измислен от известния американски учен Карл Сагън за изображения на планетата Земя, предавани от космически кораби от дълбините на Слънчевата система. Когато се опитваме да намерим планета като Земята в други звездни системи, можем да се опитаме да си представим как изглежда нашата планета от дълбините на космоса. Този проект беше наречен Pale Blue Dot („бледосиня точка“), защото от космоса, поради светенето на атмосферата, нашата планета се вижда като синя точка.беше възможно да се проследи самият процес на откриването на тази планета почти онлайн. И името на наблюдателната програма и уебсайт се връща към термина Pale Red Dot, измислен от известния американски учен Карл Сагън за изображения на планетата Земя, предавани от космически кораби от дълбините на Слънчевата система. Когато се опитваме да намерим планета като Земята в други звездни системи, можем да се опитаме да си представим как изглежда нашата планета от дълбините на космоса. Този проект беше наречен Pale Blue Dot („бледосиня точка“), защото от космоса, поради светенето на атмосферата, нашата планета се вижда като синя точка.беше възможно да се проследи самият процес на откриването на тази планета почти онлайн. И името на наблюдателната програма и уебсайт се връща към термина Pale Red Dot, измислен от известния американски учен Карл Сагън за изображения на планетата Земя, предавани от космически кораби от дълбините на Слънчевата система. Когато се опитваме да намерим планета като Земята в други звездни системи, можем да се опитаме да си представим как изглежда нашата планета от дълбините на космоса. Този проект беше наречен Pale Blue Dot („бледо синя точка“), защото от космоса, поради светенето на атмосферата, нашата планета се вижда като синя точка.предложен от известния американски учен Карл Сагън за изображения на планетата Земя, предадени с космически кораби от дълбините на Слънчевата система. Когато се опитваме да намерим планета като Земята в други звездни системи, можем да се опитаме да си представим как изглежда нашата планета от дълбините на космоса. Този проект беше наречен Pale Blue Dot („бледосиня точка“), защото от космоса, поради светенето на атмосферата, нашата планета се вижда като синя точка.предложен от известния американски учен Карл Сагън за изображения на планетата Земя, предадени с космически кораби от дълбините на Слънчевата система. Когато се опитваме да намерим планета като Земята в други звездни системи, можем да се опитаме да си представим как изглежда нашата планета от дълбините на космоса. Този проект беше наречен Pale Blue Dot („бледосиня точка“), защото от космоса, поради светенето на атмосферата, нашата планета се вижда като синя точка.
Планета Проксима b се озова в обитаемата зона на своята звезда и сравнително близо до Земята. Ако ние, планетата Земя, сме 1 астрономическа единица от нашата звезда, то тази нова планета е 0,05, тоест 200 пъти по-близо. Но звездата свети по-слабо, по-студено е и вече на такива разстояния попада в така наречената зона на улавяне на приливи и отливи. Докато Земята превзема Луната и те се въртят заедно, тук е същата ситуация. Но в същото време едната страна на планетата се затопля, а другата е студена.
Предполагаемият пейзаж на Проксима Центавър б, както се вижда от художника
ЕСО / М. Kornmesser
Има такива климатични условия, система от ветрове, които обменят топлина между нагрятата и тъмната част, а по границите на тези полукълба може да има доста благоприятни условия за живот. Но проблемът с планетата Proxima Centauri b е, че родителската звезда е червено джудже. Червените джуджета живеят доста дълго време, но имат едно специфично свойство: те са много активни. Има звездни изблици, изхвърляне на коронална маса и т.н. Вече са публикувани доста научни статии по тази система, където например се казва, че за разлика от Земята нивото на ултравиолетовото лъчение там е 20-30 пъти по-високо. Тоест, за да има благоприятни условия на повърхността, атмосферата трябва да е достатъчно гъста, за да се предпази от радиация. Но това е единствената екзопланета, която е най-близо до нас,които могат да бъдат изучени подробно с следващото поколение астрономически инструменти. Наблюдавайте атмосферата му, вижте какво се случва там, дали има парникови газове, какъв е климатът там, дали има биомаркери там. Астрофизиците ще изучават планетата Проксима b, горещ обект за изследване.
перспективи
Чакаме да бъдат пуснати няколко нови наземни и космически телескопи, нови инструменти. В Русия това ще бъде космическият телескоп Spektr-UF. Институтът по астрономия на Руската академия на науките активно работи по този проект. През 2018 г. ще бъде пуснат американският космически телескоп. Джеймс Уеб е следващото поколение в сравнение с CT im. Хъбъл. Разделителната му способност ще бъде много по-висока и ние ще можем да наблюдаваме състава на атмосферата в онези екзопланети, за които знаем, по някакъв начин решават структурата им, климатичната система. Но трябва да разберем, че това е обикновен астрономически инструмент - естествено, ще има много силна конкуренция, както и на КТ. Хъбъл: някой иска да гледа галактиката, някой - звездите, някой друг нещо. Планирани са няколко специализирани мисии за изследване на екзопланети,например TESS на НАСА (Транзитиращ спътник за екзопланети). Всъщност през следващите 10 години можем да очакваме значителен напредък в познанията ни за екзопланетите като цяло и за потенциално обитаемите екзопланети като Земята, в частност.
Валери Шематович, доктор по физика и математика, ръководител на катедрата за изследвания на слънчевата система, Институт по астрономия, Руска академия на науките