Jak hledají planety v obyvatelné zóně, jaké podmínky jsou nezbytné pro formování života a co je zajímavé o objevu exoplanety Proxima b
Obytná zóna, která se v angličtině nazývá obyvatelná zóna, je prostor v prostoru s nejvýhodnějšími podmínkami pro život pozemního typu. Termín stanoviště znamená, že jsou splněny téměř všechny podmínky pro život, prostě to nevidíme. Vhodnost pro život je určena následujícími faktory: přítomnost vody v kapalné formě, dostatečně hustá atmosféra, chemická rozmanitost (jednoduché a komplexní molekuly založené na H, C, N, O, S a P) a přítomnost hvězdy, která přináší požadované množství energie.
Historie studia: pozemské planety
Z pohledu astrofyziky existovalo několik podnětů pro vznik koncepce obyvatelné zóny. Vezměme si naši sluneční soustavu a čtyři pozemské planety: Merkur, Venuše, Země a Mars. Rtuť nemá žádnou atmosféru, a je příliš blízko Slunce, proto pro nás není příliš zajímavá. Je to planeta se smutným osudem, protože i kdyby měla atmosféru, byla by unesena slunečním větrem, tj. Proudem plazmy nepřetržitě proudícím z hvězdné korony.
Zvažte zbytek pozemských planet ve sluneční soustavě - to jsou Venuše, Země a Mars. Vznikly prakticky na stejném místě a za stejných podmínek - před 4,5 miliardami let. A proto by z pohledu astrofyziky měl být jejich vývoj docela podobný. Nyní, na začátku kosmického věku, když jsme pokročili ve studiu těchto planet pomocí kosmické lodi, získané výsledky ukázaly na těchto planetách extrémně odlišné podmínky. Nyní víme, že Venuše má velmi vysoký tlak a na povrchu je velmi horká, 460-480 ° C - to jsou teploty, při kterých se mnoho látek dokonce topí. A z prvních panoramatických snímků povrchu jsme viděli, že je zcela neživý a prakticky nepřizpůsobený životu. Celý povrch je jedním kontinentem.
Pozemské planety - Merkur, Venuše, Země, Mars
Propagační video:
commons.wikimedia.org
Na druhou stranu, Mars. Je to studený svět. Mars ztratil atmosféru. To je opět pouštní povrch, i když existují hory a sopky. Atmosféra oxidu uhličitého je velmi tenká; pokud tam byla voda, pak byla zmrzlá. Mars má polární čepici a nedávné výsledky z mise na Mars naznačují, že pod písečnou pokrývkou existuje led - regolit.
A Země. Velmi příznivá teplota, voda nezamrzne (alespoň ne všude). A na Zemi vznikl život - primitivní i mnohobuněčný inteligentní život. Zdá se, že vidíme malou část sluneční soustavy, ve které byly vytvořeny tři planety, nazývané pozemské planety, ale jejich vývoj je úplně jiný. A na těchto prvních představách o možných cestách vývoje samotných planet vznikla myšlenka obyvatelné zóny.
Obytné hranice zóny
Astrofyzici pozorují a studují svět kolem nás, vesmír, který nás obklopuje, to znamená naši sluneční soustavu a planetární systémy v jiných hvězdách. A pokud chcete nějak systematizovat, kde hledat, o jaké objekty se zajímáte, musíte pochopit, jak určit obyvatelnou zónu. Vždy jsme věřili, že jiné hvězdy by měly mít planety, ale instrumentální energie nám umožnila objevovat první exoplanety - planety umístěné mimo sluneční soustavu - právě před 20 lety.
Jak jsou určeny vnitřní a vnější hranice obytné zóny? Předpokládá se, že v naší sluneční soustavě je obyvatelná zóna umístěna ve vzdálenosti 0,95 až 1,37 astronomických jednotek od Slunce. Víme, že Země je 1 astronomická jednotka (AU) od Slunce, Venuše je 0,7 AU. e., Mars - 1,5 a. To znamená, že pokud známe jasnost hvězdy, pak je velmi snadné vypočítat střed obyvatelné zóny - stačí vzít druhou odmocninu poměru svítivosti této hvězdy a odvolat se na svítivost Slunce, která je:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Zde je Rae průměrný poloměr obyvatelné zóny v astronomických jednotkách a Lstar a Lsun jsou bolometrické svítivosti hledané hvězdy a Slunce. Hranice obytné zóny jsou stanoveny na základě požadavku na přítomnost kapalné vody na planetách, které jsou v ní umístěny, protože v mnoha biomechanických reakcích je nezbytným rozpouštědlem. Za vnější hranicí obyvatelné zóny planeta nepřijímá dostatečné množství slunečního záření k vyrovnání ztrát záření a její teplota klesne pod bod mrazu vody. Planeta umístěná blíže ke hvězdě než vnitřní hranice obyvatelné zóny bude nadměrně zahřívána svým zářením, čímž se voda vypaří.
Přesněji řečeno, vnitřní hranice je určena jak vzdáleností planety od hvězdy, tak složením její atmosféry, a zejména přítomností tzv. Skleníkových plynů: vodní páry, oxidu uhličitého, metanu, amoniaku a dalších. Jak víte, skleníkové plyny způsobují zahřívání atmosféry, což v případě katastroficky rostoucího skleníkového efektu (například rané Venuše) vede k odpařování vody z povrchu planety a ztrátám z atmosféry.
Vnější hranice je již druhou stranou problému. Může to být mnohem dále, když je ze Slunce málo energie a přítomnost skleníkových plynů v atmosféře Marsu nestačí, aby skleníkový efekt vytvořil mírné klima. Jakmile je množství energie nedostatečné, skleníkové plyny (vodní pára, metan atd.) Z atmosféry kondenzují, padají jako déšť nebo sníh atd. A skutečné skleníkové plyny se hromadí pod polárním uzávěrem na Marsu.
Je velmi důležité říci jedno slovo o obyvatelné zóně pro hvězdy mimo naši sluneční soustavu: potenciál je zóna potenciálního obyvatelstva, to znamená, že jsou v něm splněny podmínky, které jsou nezbytné, ale nejsou dostatečné pro formování života. Zde musíme hovořit o životaschopnosti planety, když do hry vstupuje řada geofyzikálních a biochemických jevů a procesů, jako je magnetické pole planety, tektonika talířů, doba trvání planetárních dnů atd. Uvedené jevy a procesy se nyní aktivně studují novým směrem astronomického výzkumu - astrobiologie.
Hledejte planety v obytné zóně
Astrofyzici jednoduše hledají planety a pak určují, zda jsou v obytné zóně. Z astronomických pozorování můžete vidět, kde se tato planeta nachází, kde je její orbita. Pokud je v obytné zóně, pak se okamžitě zvyšuje zájem o tuto planetu. Dále musíte studovat tuto planetu v dalších aspektech: atmosféra, chemická rozmanitost, přítomnost vody a zdroj tepla. To nás již mírně zavedlo mimo závorky pojmu „potenciál“. Hlavním problémem je však to, že všechny tyto hvězdy jsou velmi daleko.
Je to jedna věc vidět planetu poblíž hvězdy, jako je Slunce. Existuje celá řada exoplanet podobných naší Zemi - tzv. Sub- a super-Země, to znamená planety s poloměry blízkými nebo mírně přesahujícími poloměr Země. Astrofyzici je studují studiem atmosféry, nevidíme povrchy - pouze v ojedinělých případech, tzv. Přímé zobrazování, když vidíme jen velmi vzdálený bod. Proto musíme studovat, zda má tato planeta atmosféru, a pokud ano, jaké je její složení, jaké plyny jsou tam a tak dále.
Exoplanet (červená tečka vlevo) a hnědý trpaslík 2M1207b (uprostřed). První snímek pořízený pomocí technologie přímého zobrazování v roce 2004
ESO / VLT
V širším smyslu je hledání života mimo sluneční soustavu a ve sluneční soustavě hledání tzv. Biomarkerů. Biomarkery jsou považovány za chemické sloučeniny biologického původu. Víme, že například hlavním biomarkerem na Zemi je přítomnost kyslíku v atmosféře. Víme, že na počátku Země bylo jen velmi málo kyslíku. Nejjednodušší primitivní život vznikl brzy, mnohobuněčný život vznikl poměrně pozdě, nemluvě o inteligentním. Ale díky fotosyntéze se začal tvořit kyslík, atmosféra se měnila. A to je jeden z možných biomarkerů. Nyní z jiných teorií víme, že existuje celá řada planet s atmosférou kyslíku, ale vznik molekulárního kyslíku není způsoben biologickými, ale běžnými fyzikálními procesy,řekněme rozklad vodní páry pod vlivem hvězdného ultrafialového záření. Proto veškeré nadšení, že jakmile uvidíme molekulární kyslík, bude to biomarker, není zcela odůvodněné.
Mise "Kepler"
Keplerův kosmický dalekohled (CT) je jednou z nejúspěšnějších astronomických misí (samozřejmě po Hubbleově kosmickém dalekohledu). Jeho cílem je najít planety. Díky Kepler CT jsme udělali kvantový skok ve výzkumu exoplanet.
Kepler CT byl zaměřen na jeden způsob objevu - tzv. Tranzity, kdy fotometr - jediný nástroj na palubě satelitu - sledoval změnu jasu hvězdy v okamžiku, kdy planeta prošla mezi ní a dalekohledem. To dalo informaci o oběžné dráze planety, o její hmotnosti a teplotním režimu. To umožnilo během první části mise identifikovat asi 4500 potenciálních kandidátů na planety.
Kosmický dalekohled "Kepler"
NASA
V astrofyzice, astronomii a pravděpodobně ve všech přírodních vědách je obvyklé potvrzovat objevy. Fotometr zaznamenává, že se jas hvězdy mění, ale co to může znamenat? Možná má hvězda nějaké vnitřní procesy vedoucí ke změnám; planety projdou - je ztmavnutá. Proto je nutné se podívat na frekvenci změn. Abychom však mohli s jistotou říci, že existují planety, musíte to nějakým způsobem potvrdit - například změnou radiální rychlosti hvězdy. To znamená, že nyní existuje asi 3600 planet - jedná se o planety potvrzené několika způsoby pozorování. A existuje téměř 5 000 potenciálních kandidátů.
Proxima Centauri
V srpnu 2016 bylo přijato potvrzení přítomnosti planety s názvem Proxima b poblíž hvězdy Proxima Centauri. Proč je to tak zajímavé pro všechny? Z velmi jednoduchého důvodu: je to nejbližší hvězda k našemu Slunci ve vzdálenosti 4,2 světelných let (tj. Světlo pokrývá tuto vzdálenost za 4,2 roku). To je pro nás nejbližší exoplaneta a možná nejbližší nebeské těleso ke sluneční soustavě, na kterém může existovat život. První měření byla provedena v roce 2012, ale protože tato hvězda je chladný červený trpaslík, musela být provedena velmi dlouhá série měření. A několik vědeckých týmů z Evropské jižní observatoře (ESO) pozorovalo hvězdu několik let. Vytvořili webovou stránku s názvem Bledě červená tečka (palereddot.org - ed.), Tj. „Bledě červená tečka“a zveřejnili tam pozorování. Astronomové přilákali různé pozorovatele a výsledky pozorování bylo možné sledovat ve veřejné sféře. Takže bylo možné sledovat samotný proces objevování této planety téměř online. A název pozorovacího programu a webových stránek sahá až do termínu Pale Red Dot vytvořeného renomovaným americkým vědcem Carlem Saganem pro obrazy planety Země přenášené kosmickou lodí z hloubek sluneční soustavy. Když se pokusíme najít planetu jako Zemi v jiných hvězdných systémech, můžeme si zkusit představit, jak naše planeta vypadá z hloubky vesmíru. Tento projekt se jmenoval Bledě modrá tečka („bledě modrá tečka“), protože z vesmíru je naše planeta díky svitu atmosféry viditelná jako modrá tečka.bylo možné sledovat samotný proces objevování této planety téměř online. A název pozorovacího programu a webových stránek sahá až do termínu Pale Red Dot vytvořeného renomovaným americkým vědcem Carlem Saganem pro obrazy planety Země přenášené kosmickou lodí z hloubek sluneční soustavy. Když se pokusíme najít planetu jako Zemi v jiných hvězdných systémech, můžeme si zkusit představit, jak naše planeta vypadá z hloubky vesmíru. Tento projekt se jmenoval Bledě modrá tečka („bledě modrá tečka“), protože z vesmíru je naše planeta díky svitu atmosféry viditelná jako modrá tečka.bylo možné sledovat samotný proces objevování této planety téměř online. A název pozorovacího programu a webových stránek sahá až do termínu Pale Red Dot vytvořeného renomovaným americkým vědcem Carlem Saganem pro obrazy planety Země přenášené kosmickou lodí z hloubek sluneční soustavy. Když se pokusíme najít planetu jako Zemi v jiných hvězdných systémech, můžeme si zkusit představit, jak naše planeta vypadá z hloubky vesmíru. Tento projekt se jmenoval Bledě modrá tečka („bledě modrá tečka“), protože z vesmíru je naše planeta díky svitu atmosféry viditelná jako modrá tečka.navrhl slavný americký vědec Carl Sagan pro obrazy planety Země, přenášené kosmickou lodí z hlubin sluneční soustavy. Když se pokusíme najít planetu jako Zemi v jiných hvězdných systémech, můžeme si zkusit představit, jak naše planeta vypadá z hloubky vesmíru. Tento projekt se jmenoval Bledě modrá tečka („bledě modrá tečka“), protože z vesmíru je naše planeta díky svitu atmosféry viditelná jako modrá tečka.navrhl slavný americký vědec Carl Sagan pro obrazy planety Země, přenášené kosmickou lodí z hlubin sluneční soustavy. Když se pokusíme najít planetu jako Zemi v jiných hvězdných systémech, můžeme si zkusit představit, jak naše planeta vypadá z hloubky vesmíru. Tento projekt se jmenoval Bledě modrá tečka („bledě modrá tečka“), protože z vesmíru je naše planeta vzhledem k jasu atmosféry viditelná jako modrá tečka.
Planeta Proxima b se ocitla v obyvatelné zóně své hvězdy a relativně blízko Země. Pokud jsme my, planeta Země, 1 astronomická jednotka od naší hvězdy, pak je tato nová planeta 0,05, tj. 200krát blíže. Hvězda ale září slabší, je chladnější a již v takových vzdálenostech spadá do tzv. Zóny přílivu. Když Země zachytila Měsíc a rotovala spolu, je tu stejná situace. Zároveň se však jedna strana planety zahřeje a druhá zima.
Údajná krajina Proxima Centauri b, jak ji vidí umělec
ESO / M. Kornmessere
Existují takové klimatické podmínky, systém větru, který vyměňuje teplo mezi vyhřívanou částí a tmavou částí, a na hranicích těchto polokoulí mohou existovat docela příznivé podmínky pro život. Problém s planetou Proxima Centauri b je však v tom, že mateřskou hvězdou je červený trpaslík. Červení trpaslíci žijí docela dlouho, ale mají jednu specifickou vlastnost: jsou velmi aktivní. Existují hvězdné erupce, vystřelení koronální hmoty atd. Dosud bylo publikováno mnoho vědeckých článků o tomto systému, kde například říkají, že na rozdíl od Země je úroveň ultrafialového záření 20-30krát vyšší. To znamená, že pro dosažení příznivých podmínek na povrchu musí být atmosféra dostatečně hustá, aby chránila před zářením. Ale to je jediný exoplanet, který je nám nejblíže,které lze podrobně studovat s příští generací astronomických nástrojů. Sledujte jeho atmosféru, podívejte se, co se tam děje, zda existují skleníkové plyny, jaké je tam klima, zda tam jsou biomarkery. Astrofyzici budou studovat planetu Proxima b, horký objekt pro výzkum.
Perspektivy
Čekáme na spuštění několika nových pozemních a kosmických dalekohledů, nových nástrojů. V Rusku to bude kosmický dalekohled Spektr-UF. Astronomický ústav Ruské akademie věd na tomto projektu aktivně pracuje. V roce 2018 bude spuštěn americký kosmický dalekohled. James Webb je další generací ve srovnání s CT im. Hubble. Jeho rozlišení bude mnohem vyšší a budeme moci pozorovat složení atmosféry v těch exoplanetách, o nichž víme, jaksi vyřešit jejich strukturu, klimatický systém. Musíme však pochopit, že se jedná o běžný astronomický nástroj - samozřejmě, že bude velmi silná konkurence i na CT. Hubble: někdo chce sledovat galaxii, někdo - hvězdy, někdo jiný. Plánuje se několik specializovaných misí na průzkum exoplanet,např. NASA TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Ve skutečnosti můžeme v příštích 10 letech očekávat výrazný pokrok v našich znalostech o exoplanetách obecně ao potenciálně obyvatelných exoplanetách, jako je Země.
Valery Shematovich, doktor fyziky a matematiky, vedoucí katedry výzkumu sluneční soustavy, Astronomický ústav, Ruská akademie věd