Границы зоны обитаемости солнца

Гарантирует ли зона обитаемости наличие жизни на планете?

Экзопланета K2-18 b может располагать водными парами и дождевыми облаками в атмосфере

Вселенная – бесконечное пространство, в котором землянам вовсе не хочется существовать в одиночестве. Поэтому мы направляем наши телескопы на другие планеты и пытаемся отыскать следы хотя бы примитивной жизни. Главное внимание уделяется мирам в зоне обитаемости. Но что это такое и есть ли гарантия найти жизнь в таких экзопланетах?

Зона обитаемости (обитаемая зона, зона Златовласки) – это определенная орбитальная дистанция планеты от родной звезды, где температурный показатель и уровень освещения позволяют миру располагать водой в жидком состоянии. А если есть вода, то можно рассчитывать и на наличие живых организмов.

Эта концепция построена на примере единственной планеты с жизнью – Земле. Да, наш мир расположен в зоне обитаемости, за счет чего сформировались удачные условия для возникновения и эволюции жизни. Но есть ли у других миров шансы?

Совсем недавно исследователи обнаружили, что экзопланета K2-18 b находится в обитаемой зоне и может располагать водой и дождевыми облаками. Значит, на ней 100% присутствует жизнь? Нет, потому что 99 из 100 астрономов скептически отнесутся к таким надеждам.

По сути, из найденных экзопланет около 192 миров находятся в зоне обитаемости. Однако все они, кроме 24 экзопланет, выступают газовыми гигантами, которые не располагают твердой поверхностью. Выходит, что зона обитаемости не дает никаких гарантий, потому что не учитывает всех ключевых критериев.

Это привело к тому, что ученые начали спорить о термине и необходимости его скорректировать. Сам термин «зона обитаемости» им кажется неуклюжим и расплывчатым. Ведь он включает миры, которые 100% не способны приютить жизнь, и не учитывает те планеты, что находятся за чертой этой территории, но кажутся более пригодными к жизни.

Малый класс миров делится на две категории: каменистые супер-Земли и газовые мини-Нептуны

Например, в Солнечной системе Марс и Луна входят в зону обитаемости. Но пока никаких признаков жизни на этих небесных телах не обнаружили. Поэтому ученые рекомендуют ориентироваться еще на два критерия – каменистая поверхность и правильный состав атмосферы (и ее наличие).

Если мир чересчур газообразен, то показатель атмосферного давления и температурная отметка кажутся крайне интенсивными, что не позволяет молекулам ДНК оставаться стабильными. Эта проблема касается и K2-18 b. Анализ показывает, что в этом мире много воды. Но есть ли там каменистая поверхность?

Состав мира определяется во время транзита, когда планета проходит перед звездой. Эти данные позволяют определить размер и массивность объекта. Анализ показал, что радиус K2-18 b в 8 раз превышает земной, а по плотности планета напоминает Марс. Но все еще не ясно, есть ли там твердая поверхность. Малый класс миров делится на две категории: каменистые супер-Земли и газовые мини-Нептуны. То есть, K2-18 b может представлять собою один из этих вариантов.

Зона обитаемости не дает никаких гарантий, что на планете может находиться жизнь. По сути, это пока только предполагаемый ориентир, созданный на основе информации о Земле (пример для жизни).

Но исследователям нельзя цепляться за этот критерий, иначе рискуют упустить более потенциально выигрышные планеты. Например, в Солнечной системе есть привлекательные спутники Юпитера и Сатурна. Они проживают за чертой обитаемой зоны, но располагают намеками на подходящие условия для жизни.

Так как «зона обитания» не соответствует всем критериям, ученые хотят изменить название. Среди вариантов предлагают «умеренная зона», «зона с жидкой водой», «зона охоты» и т.д.

Другие астрономы настроены улучшить индекс обитаемости, который включит все самые важные критерии и характеристики, чтобы вычислить потенциал планеты. Последний индекс был презентован в 2018 году, и он включает 5 характеристик:

• объем полученного миром звездного освещения.
• радиус планеты.
• отражательная способность планеты.
• площадь поверхности, покрытой океаном.
• плотность атмосферы.

Проблема в том, что современные телескопы не фиксируют последние три критерия. Полагают, что пройдет еще 10-20 лет, прежде чем мы сумеем создать нужную технологию, которая будет ориентироваться не на предполагаемую зону обитания, а сумеет точно фиксировать наличие жизни на планете по всем критериям.

Некоторые считают, что на жизнь влияют и другие факторы: активный геологический цикл, наличие расплавленного ядра, тектоники плит, вулканов и магнитного поля. Вот только эти характеристики не могут быть зафиксированы нашими технологиями.

Поэтому наилучший вариант – создать телескопы, способные находить биоподписи. В НАСА сейчас планируют два проекта, которые смогут сканировать небо в поиске экзопланет, похожих на Землю. Это HabEx и LUVOIR. Если эта концепция сработает, то ученым больше не придется пользоваться понятием «зона обитаемости». В тот период уже можно будет сосредоточиться на изучении реальных пришельцев (если мы их найдем).

Источник

Зона обитаемости

История изучения: планеты земного типа

С точки зрения астрофизики было несколько стимулов к возникновению понятия зоны обитаемости. Рассмотрим нашу Солнечную систему и четыре планеты земного типа: Меркурий, Венеру, Землю и Марс. У Меркурия нет атмосферы, и он находится слишком близко к Солнцу, поэтому не очень нам интересен. Это планета с печальной судьбой, потому что, даже будь у нее атмосфера, она была бы унесена солнечным ветром, то есть непрерывно истекающим из короны звезды потоком плазмы.

Рассмотрим остальные планеты земного типа в Солнечной системе — это Венера, Земля и Марс. Они возникли практически в одном месте и при одинаковых условиях

4,5 миллиардов лет назад. И поэтому с точки зрения астрофизики их эволюция должна быть довольно схожей. Сейчас, в начале космической эры, когда мы продвинулись в изучении этих планет при помощи космических аппаратов, полученные результаты показали экстремально различные условия на этих планетах. Теперь мы знаем, что на Венере очень высокое давление и очень жарко на поверхности, 460–480 °C — это температуры, при которых многие вещества даже плавятся. И с первых панорамных снимков поверхности мы увидели, что она совершенно неживая и практически не приспособлена к жизни. Вся поверхность — это один материк.

С другой стороны, Марс. Это холодный мир. Марс потерял атмосферу. Это опять же пустынная поверхность, хотя там есть горы и вулканы. Атмосфера из углекислого газа очень разреженная; если вода там и была, то она вся вымерзла. На Марсе есть полярная шапка, и последние результаты миссии к Марсу говорят о том, что под песчаным покрытием — реголитом — существует лед.

И Земля. Очень благоприятная температура, вода не замерзает (по крайней мере, не всюду). И именно на Земле возникла жизнь — как примитивная, так и многоклеточная, разумная жизнь. Казалось бы, мы видим небольшую часть Солнечной системы, в которой сформировались три планеты, называемые планетами земного типа, но их эволюция совершенно разная. И на этих первых представлениях о возможных путях эволюции самих планет и возникла идея о зоне обитаемости.

Границы зоны обитаемости

Астрофизики наблюдают и исследуют окружающий нас мир, окружающее нас космическое пространство, то есть нашу Солнечную систему и планетные системы у других звезд. И чтобы как-то систематизировать, куда смотреть, какими объектами интересоваться, нужно понимать, как определять зону обитаемости. Мы всегда полагали, что у других звезд должны быть планеты, но инструментальные возможности позволили нам открыть первые экзопланеты — планеты, расположенные за пределами Солнечной системы, — всего лишь 20 лет назад.

Как определяются внутренние и внешние границы зоны обитаемости? Считается, что в нашей Солнечной системе обитаемая зона находится на расстоянии от 0,95 до 1,37 астрономических единиц от Солнца. Мы знаем, что Земля — это 1 астрономическая единица (а. е.) от Солнца, Венера — 0,7 а. е., Марс — 1,5 а. е. Если мы знаем светимость звезды, то посчитать центр зоны обитаемости очень легко — нужно просто взять корень квадратный из отношения светимости этой звезды и отнести к светимости Солнца, то есть:

R ае =(L звезда /L солнце ) 1/2 .

Здесь Rае — средний радиус зоны обитаемости в астрономических единицах, а Lзвезда и Lсолнце — болометрические показатели светимости искомой звезды и Солнца соответственно. Границы обитаемой зоны установлены, исходя из требования наличия на находящихся в ней планетах воды в жидком состоянии, поскольку она является необходимым растворителем во многих биомеханических реакциях. За внешней границей обитаемой зоны планета не получает достаточно солнечной радиации, чтобы компенсировать потери на излучение, и ее температура опустится ниже точки замерзания воды. Планета, расположенная ближе к светилу, чем внутренняя граница обитаемой зоны, будет чрезмерно нагреваться его излучением, в результате чего вода испарится.

Более строго внутренняя граница определяется как расстоянием планеты от звезды, так и составом ее атмосферы и в особенности наличием так называемых парниковых газов: паров воды, углекислого газа, метана, аммиака и других. Как известно, парниковые газы вызывают разогрев атмосферы, что в случае катастрофически нарастающего парникового эффекта (например, ранняя Венера) приводит к испарению воды с поверхности планеты и потере из атмосферы.

Внешняя граница — это уже другая сторона вопроса. Она может быть значительно дальше, когда энергии от Солнца приходит мало и присутствие парниковых газов в атмосфере Марсе недостаточно, чтобы парниковый эффект создавал мягкий климат. Как только становится недостаточным количество энергии, парниковые газы (пары воды, метан и так далее) из атмосферы конденсируют, выпадают как дождь либо как снег и так далее. И собственно парниковые газы накопились под полярной шапкой на Марсе.

Про зону обитаемости для звезд вне нашей Солнечной системы очень важно говорить одно слово: потенциальная — зона потенциальной обитаемости, то есть в ней соблюдены условия необходимые, но недостаточные для формирования жизни. Здесь надо говорить о жизнепригодности планеты, когда в игру вступает целый ряд геофизических и биохимических явлений и процессов, таких как наличие у планеты магнитного поля, тектоники плит, продолжительность планетных суток и так далее. Перечисленные явления и процессы сейчас активно изучаются в новом направлении астрономических исследований — астробиологии.

Поиск планет в обитаемой зоне

Астрофизики просто ищут планеты, а затем уже определяют, находятся ли они в зоне обитаемости. Из астрономических наблюдений можно увидеть, где эта планета находится, где расположена ее орбита. Если в обитаемой зоне, то сразу же интерес к этой планете возрастает. Далее нужно изучать эту планету в других аспектах: атмосфера, химическое разнообразие, наличие воды и источник тепла. Это уже чуть-чуть выводит нас за скобки понятия «потенциальная». Но главная проблема в том, что все эти звезды расположены очень далеко.

Одно дело — увидеть планету у звезды, подобной Солнцу. Есть целый ряд экзопланет, подобных нашей Земле, — так называемые суб- и суперземли, то есть планеты с радиусами, близкими или немного превышающими радиус Земли. Астрофизики изучают их, исследуя атмосферу, поверхности мы не видим — только в единичных случаях, так называемых direct imaging, когда мы видим только очень далекую точку. Поэтому мы должны изучать, есть ли у этой планеты атмосфера, а если есть, то какой ее состав, какие там газы и так далее.

Миссия «Кеплер»

Космический телескоп (КТ) «Кеплер» — одна из самых результативных астрономических миссий (конечно, после космического телескопа им. Хаббла). Она нацелена на поиск планет. Благодаря КТ «Кеплер» мы совершили качественный скачок в исследовании экзопланет.

КТ «Кеплер» был ориентирован на один способ открытия — так называемые транзиты, когда фотометр — единственный инструмент на борту спутника — отслеживал изменение яркости звезды в момент прохождения планеты между ней и телескопом. Это давало информацию об орбите планеты, ее массе, температурном режиме. И это позволило определить на первой части этой миссии порядка 4500 потенциальных кандидатов в планеты.

Проксима Центавра

В августе 2016 года было получено подтверждение присутствия планеты, получившей наименование Проксима b, у звезды Проксима Центавра. Почему это так всех заинтересовало? По очень простой причине: это ближайшая к нашему Солнцу звезда на расстоянии 4,2 световых года (то есть свет покрывает это расстояние за 4,2 года). Это самая близкая к нам экзопланета и, возможно, ближайшее к Солнечной системе небесное тело, на котором может существовать жизнь. Первые измерения были получены в 2012 году, но, так как эта звезда является холодным красным карликом, нужно было провести очень длинный ряд измерений. И целый ряд научных групп Европейской южной обсерватории (ESO) наблюдали звезду в течение нескольких лет. Они сделали веб-сайт, он называется Pale Red Dot (palereddot.org — прим. ред.), то есть ‘бледно-красная точка’, и там выкладывали наблюдения. Астрономы привлекали разных наблюдателей, и можно было отслеживать результаты наблюдений в открытом доступе. Так, можно было проследить за самим процессом открытия этой планеты практически онлайн. А название программы наблюдений и веб-сайта восходит к термину Pale Red Dot, предложенному известным американским ученым Карлом Саганом для изображений планеты Земля, передаваемых космическими аппаратами из глубин Солнечной системы. Когда мы пытаемся найти планету, подобную Земле, в других звездных системах, то мы можем попытаться представить, как наша планета выглядит из глубин космоса. Этот проект назвали Pale Blue Dot (‘бледно-голубая точка’), потому что из космоса из-за светимости атмосферы наша планета видна как голубая точка.

Планета Проксима b оказалась в зоне обитаемости своей звезды и относительно близко к Земле. Если мы, планета Земля, находимся на 1 астрономической единице от своей звезды, то эта новая планета — на 0,05, то есть в 200 раз ближе. Но звезда слабее светит, она более холодная, и уже на таких расстояниях она попадает в так называемую зону приливного захвата. Как Земля захватила Луну и они вместе вращаются, такая же ситуация и тут. Но при этом одна сторона планеты разогрета, а вторая холодная.

Источник

Журнал «Все о Космосе»

Зона обитаемости

Пример системы нахождения обитаемой зоны в зависимости от типа звёзд.

В астрономии, обитаемая зона, зона обитаемости, зона жизни ( habitable zone, HZ ) — это условная область в космосе, определённая из расчёта, что условия на поверхности находящихся в ней планет будут близки к условиям на Земле и будут обеспечивать существование воды в жидкой фазе. Соответственно, такие планеты (или их спутники) будут благоприятны для возникновения жизни, похожей на земную. Вероятность возникновения жизни наиболее велика в обитаемой зоне в окрестностях звезды ( circumstellar habitable zone, CHZ ), находящейся при этом в обитаемой зоне галактики ( galactic habitable zone, GHZ ), хотя исследования последней пока находятся в зачаточном состоянии.

Следует отметить, что нахождение планеты в обитаемой зоне и её благоприятность для жизни не обязательно связаны: первая характеристика описывает условия в планетной системе в целом, а вторая — непосредственно на поверхности небесного тела.

В англоязычной литературе обитаемую зону также называют зоной Златовласки ( Goldilocks Zone ). Это название представляет собой отсылку к английской сказке Goldilocks and the Three Bears, на русском языке известной под названием «Три медведя». В сказке Златовласка пытается воспользоваться несколькими наборами из трёх однородных предметов, в каждом из которых один из предметов оказывается чересчур большим (твёрдым, горячим и т. п.), другой — чересчур маленьким (мягким, холодным…), а третий, промежуточный между ними, предмет оказывается «в самый раз». Аналогично, для того, чтобы оказаться в обитаемой зоне, планета не должна находиться ни слишком далеко от звезды, ни слишком близко к ней, а на «правильном» удалении.

Обитаемая зона звезды

Границы обитаемой зоны установлены, исходя из требования наличия на находящихся в ней планетах воды в жидком состоянии, поскольку она является необходимым растворителем во многих биохимических реакциях.

За внешней границей обитаемой зоны планета не получает достаточно солнечной радиации, чтобы компенсировать потери на излучение, и её температура опустится ниже точки замерзания воды. Планета, расположенная ближе к светилу, чем внутренняя граница обитаемой зоны, будет чрезмерно нагреваться его излучением, в результате чего вода испарится.

Расстояние от звезды, где это явление возможно, вычисляется по размеру и светимости звезды. Центр обитаемой зоны для конкретной звезды описывается уравнением:

<\displaystyle d_=<\sqrt /L_>>> , где: <\displaystyle d_> — средний радиус обитаемой зоны в астрономических единицах, <\displaystyle L_> — болометрический показатель (светимость) звезды, <\displaystyle L_> — болометрический показатель (светимость) Солнца.

Обитаемая зона в Солнечной системе

Существуют различные оценки того, где простирается обитаемая зона в Солнечной системе:

Галактическая обитаемая зона

Соображения насчёт того, что местоположение планетной системы, находящейся в пределах галактики, должно оказывать влияние на возможность развития жизни, привело к концепции т. н. «галактической обитаемой зоны» ( GHZ, galactic habitable zone ). Концепцию развил в 1995 году Гиллермо Гонсалес , несмотря на её оспаривание.

Галактическая обитаемая зона представляет собой, по имеющимся на данный момент представлениям, кольцеобразный регион расположенный в плоскости галактического диска. По оценкам, в Млечном Пути обитаемая зона расположена в регионе от 7 до 9 кпк от центра галактики, расширяющемся со временем и содержащем звёзды возрастом от 4 до 8 миллиардов лет. Из этих звёзд 75 % старше Солнца.

В 2008 году группа учёных опубликовала проведённое обширное компьютерное моделирование, в соответствии с которым, по крайней мере, в галактиках, подобных Млечному Пути, звёзды, подобные Солнцу, могут мигрировать на большие расстояния. Это противоречит концепции, что некоторые зоны галактики более пригодны для образования жизни, чем другие.

Поиск планет в обитаемой зоне

Планеты в обитаемых зонах крайне интересны для учёных, которые ищут как внеземную жизнь, так и будущие дома для человечества.

Уравнение Дрейка, которое пытается определить вероятность внеземной разумной жизни, включает переменную (n_e) в качестве числа жизнепригодных планет в звёздных системах с планетами. Нахождение экзопланет Златовласки помогает уточнить значения для этой переменной. Крайне низкие значения могут подтвердить гипотезу уникальной Земли, которая утверждает, что серия крайне маловероятных случаев и событий привела к зарождению жизни на Земле. Высокие значения могут усилить принцип заурядности Коперника в положении: большое количество планет Златовласки означает, что Земля не уникальна.

Поиск одинаковых по размеру с Землёй планет в обитаемых зонах звёзд — ключевая часть миссии “Кеплер”, которая использует космический телескоп (запущен 7 марта 2009 года, UTC) для обследования и сбора характеристик планет в обитаемых зонах. На апрель 2011 года было обнаружено 1235 возможных планет, из которых 54 расположены в обитаемых зонах.

Первая подтверждённая экзопланета в обитаемой зоне — Kepler-22 b — была обнаружена в 2011 году. На 3 февраля 2012 года известно четыре достоверно подтверждённых планеты, находящихся в обитаемых зонах своих звёзд.

23 июля 2015 года в созвездии Лебедя была обнаружена экзопланета Kepler-452 b. Её диаметр всего на 60 % больше диаметра Земли, что делает её более похожей на нашу планету по сравнению с ранее обнаруженными. Период обращения планеты вокруг звезды составляет 385 суток, что так же крайне близко к периоду обращения Земли вокруг Солнца.

Критика

Концепция обитаемой зоны критикуется Яном Стюартом и Джеком Коэном в книге «Evolving the Alien». Два основных возражения заключаются в том, что, с одной стороны, предполагается что внеземная жизнь имеет те же требования к условиям окружающей среды, что и земная (т. н. «углеродный шовинизм»), а с другой — упускается из виду то обстоятельство, что близость к светилу — не единственный возможный способ создания достаточной температуры на планете. В частности, спутник Юпитера Европа, как полагают, имеет мощный водный достаточно разогретый подземный океан, глубины которого весьма напоминают глубины земных океанов. Существование на Земле экстремофилов, таких как тихоходки, делает существование жизни на Европе вполне возможным, несмотря на то, что Европа находится вне расчётной обитаемой зоны. На спутнике Сатурна Титане жизнь может иметь не кислородно-углеродную (водную), а скорее метановую основу. По мнению астронома Карла Сагана, неводная жизнь также возможна и на газовых гигантах наподобие Юпитера.

Различные величины вулканической активности, приливных эффектов, массы планеты и даже радиоактивного распада могут повлиять на уровни тепла и излучения на планете и снижать предпосылки жизни на планетах обитаемой зоны. Так, хотя вполне вероятно, что земная жизнь могла адаптироваться к окружающей среде, соответствующей таковой на Европе, зарождение жизни на последней гораздо менее вероятно ввиду жесточайшей радиации, которой подвергается Европа от мощного магнитного поля Юпитера. И возможно, что на планете, которая со временем вышла за пределы обитаемой зоны (например, на тех же газовых гигантах и Титане или другом спутнике Сатурна Энцеладе), жизнь более вероятна, чем на той, которая по общим расчётам входит в неё.

Источник