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
Обитаемая зона Солнечной системы
Важн.
Обитаемая зона — это воображаемая сферическая оболочка, окружающая звезду. В ее пределах температура поверхности планеты пригодна для возникновения и развития жизни.
Важность воды
Науке известно, что наиболее важным фактором, необходимым для появления земной жизни была доступность жидкой воды. Вода является идеальным растворителем для осуществления биохимических реакций. К тому же она является бесценным источником водорода, необходимого для обеспечения этой биохимии. Вода останется жидкой под давлением 1 бар (наземное давление на уровне моря) между 0 ° C и 100 ° C. Однако даже на Земле географические, сезонные и суточные колебания могут привести к падению температуры намного ниже нуля (до -70 ° C в Антарктике). Но жизнь может выжить и в этих условиях. И хотя большинство наземных организмов не могут выдерживать температуры выше 45 ° C, некоторые существа имеют суперспособности. Например, гипертермофилы были обнаружены вокруг гидротермальных жерл при температуре 113 ° C.
Обитаемая зона Солнца
Разумно предположить, что если бы Земля была немного ближе или дальше от Солнца, какая-то жизнь все равно бы на ней развивалась. Пределы обитаемой зоны Солнца простираются гораздо дальше нынешней орбиты Земли. Считается, что Марс тоже лежит внутри границ этой зоны. То есть она простирается минимум на 225 миллионов километров от Солнца. Марс, по крайней мере в наше время, выглядит безжизненным потому, что имеет массу, не позволяющую ему удерживать плотную атмосферу. Если бы Земля находилась на месте Марса, она бы была вполне обитаемой. Учеными установлено, что Марс в прошлом имел более теплые и влажные условия. И в этих условиях вполне могли развиться примитивные организмы.
Гораздо дальше от Солнца находятся газовые гиганты и их большие спутники. На первый взгляд они весьма негостеприимны для жизни. Однако влияние приливного нагревания на эти миры (такие, как Каллисто и Европа), приводит к возникновению большого количества подповерхностной жидкой воды. Это делает эти спутники биологически интересными.
Если бы на одном из спутников Юпитера была бы обнаружена жизнь, то внешняя граница обитаемой зоны Солнца была бы увеличена до 800 млн. км. Еще дальше от Солнца находятся спутники Сатурна Титан и Энцелад. И в настоящее время они тоже считаются потенциальными кандидатами на существование жизни.
Внутренняя граница
Внутреннюю границу обитаемой зоны Солнца определить несколько проще. Венера имеет примерно земной размер, массу и состав. Но ее близость к Солнцу помешала ей следовать по пути Земли. На нашей планете температуры были достаточно низкими для того, чтобы огромное количество водяного пара выделилось в больших количествах из первичных вулканов. На Земле эти пары превратились в океаны. Эти океаны впоследствии поглотили основную массу углекислого газа. Однако на Венере с самого начала было слишком жарко, чтобы водяной пар мог конденсироваться. В результате огромное количество углекислого газа, выброшенного в примитивную венерианскую атмосферу, осталось там и послужило причиной катастрофического парникового эффекта. И без того высокая температура поверхности Венеры взлетела до 460 ° C. И в этот момент стала невозможна любая сложная биохимия подобная земной.
Таким образом, основываясь на современных знаниях, и до тех пор, пока наука не узнает больше о таких мирах, как Европа и Титан, мы можем разумно определить величину обитаемой зоны Солнца для планеты размером Земли. Она составляет от 120 до 240 миллионов км. от Солнца. Это в 0,8–1,6 раза больше радиуса орбиты Земли.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
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_
, 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:
| Внутренняя граница, а.e. | Внешняя граница, а. е. | Источник | Примечания |
|---|---|---|---|
| 0,725 | 1,24 | Dole 1964 | Оценка в предположении оптически прозрачной атмосферы и фиксированного альбедо. |
| 0,95 | 1,01 | Hart et al. 1978, 1979 | Звёзды K0 и дальше не могут иметь обитаемой зоны |
| 0,95 | 3,0 | Fogg 1992 | Оценка с использованием углеродных циклов |
| 0,95 | 1,37 | Kasting et al. 1993 | |
| — | 1—2 % дальше… | Budyko 1969, Sellers 1969, North 1975 | …приводит к глобальному оледенению. |
| 4—7 % ближе… | — | Rasool & DeBurgh 1970 | …и океаны не сконденсируются. |
| — | — | Schneider and Thompson 1980 | Критика Hart. |
| — | — | Kasting 1991 | |
| — | — | Kasting 1988 | Водяные облака могут сузить обитаемую зону, поскольку они повышают альбедо, и тем самым противодействуют парниковому эффекту. |
| — | — | Ramanathan and Collins 1991 | Парниковый эффект для инфракрасного излучения имеет более сильное влияние, чем повышенное из-за облаков альбедо, и Венера должна была быть сухой. |
| — | — | Lovelock 1991 | |
| — | — | Whitemire et al. 1991 |
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 (ne) 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