NASA создает индекс обитаемости планет, и Земля может оказаться не на его вершине. С нашими текущими данными ранжирование пригодности для жизни является догадкой.
Ключевые выводы
- Когда дело доходит до жизни во Вселенной, у нас есть только один пример космического успеха: история жизни прямо здесь, на планете Земля.
- Хотя на Земле были подходящие условия и ингредиенты для возникновения, выживания и процветания жизни, мы не знаем, каковы были шансы на успех и какие другие «призы» были в космическом пространстве. биологическая лотерея.
- Ранжирование экзопланет на основе шкалы «обитаемости» - грандиозная и достойная амбиция, но наше глубокое невежество делает это преждевременным и, в конечном счете, ошибочным стремлением на сегодняшний день.
Здесь, на Земле, жизнь зародилась очень рано в истории нашей планеты - самое позднее в течение первых нескольких сотен миллионов лет - и с тех пор существует, выживая и процветая в неразрывной биологической цепи более четыре миллиарда лет. Несмотря на многочисленные скалистые и ледяные миры, известные в нашей Солнечной системе, а также более 5000 известных экзопланет, вращающихся вокруг других звезд, кроме Солнца, Земля остается единственным местом, где мы подтвердили существование жизни.
Это не означает, однако, что если мы хотим найти жизнь за пределами Земли, мы должны ограничиться поиском планет, очень похожих на нашу. Конечно, они там: миры размером с Землю, вращающиеся вокруг звезд, подобных Солнцу, на расстоянии, равном расстоянию между Землей и Солнцем. Но вывод о том, что планеты, подобные нашей, являются единственными местами, где зарождается жизнь, является слишком ограничительным.
На самом деле, планеты земного типа могут быть даже не лучшими местами для поиска внеземной жизни. В великой космической лотерее жизни мы не знаем:
- какие еще призы,
- каковы шансы выиграть какой-либо приз,
- и является ли жизнь на Земле «главным призером» или есть еще более крупные призы.
В 2014 году пара астробиологов предложила идею сверхобитаемой планеты: планеты с более подходящими условиями для возникновения жизни, эволюции и большего биоразнообразия. Хотя многие экзопланеты рекламировались как сверхпригодные для жизни, доказательства все еще неясны. Вот наука, стоящая за идеей сверхобитаемости.
Если свет от родительской звезды можно затенить, например, с помощью коронографа или звездного щита, планеты земной группы в пределах ее обитаемой зоны потенциально могут быть отображены напрямую, что позволит искать многочисленные потенциальные биосигнатуры. Наша способность непосредственно отображать экзопланеты в настоящее время ограничена гигантскими экзопланетами на больших расстояниях от ярких звезд, но это улучшится с помощью более совершенных технологий телескопов.
Давайте будем откровенны об ограничениях того, что мы знаем. Мы знаем, что строительные блоки жизни - от простых атомов до органических молекул, аминокислот и богатых водой каменистых планет - можно найти буквально по всей Вселенной. Мы даже знаем, как и где они происходят.
- Разнообразные процессы, от ядерного синтеза в звездах до звездных катаклизмов, таких как сверхновые с коллапсом ядра, взрывающиеся белые карлики и слияния нейтронных звезд, объединяются, чтобы создать полный набор элементов, составляющих периодическую таблицу.
- В межгалактических газовых облаках, в областях звездообразования, в потоках молодых звезд и в дисках, формирующих планеты вокруг этих звезд, продолжают обнаруживать самые разнообразные органические молекулы.
- Во внутренних областях молодых звездных систем, а также в астероидах и кометах, обнаруженных в наших собственных Солнечных системах, существует огромное разнообразие сложных молекул, включая ароматические углеводороды и десятки типов аминокислот. в большом количестве и большом разнообразии.
- И повсюду во Вселенной, где бы ни существовали звезды, также существует огромное количество планет.
Но не на каждой звезде есть планеты, и не каждая планета пригодна для развития жизни.
Хотя исследования начала 2000-х утверждали, что обитаемость должна быть возможна только в кольцевом кольце, окружающем большинство галактик, подобных Млечному Пути, с низкой металличностью и частыми звездными катаклизмами и/или плотными гравитационными взаимодействиями, неблагоприятными для жизни в внешние или внутренние регионы, эти исследования были поставлены под сомнение, особенно в отношении внутренних галактических регионов.
Был допущен ряд ошибок - т. е. сделанные ранее утверждения, которые теперь считаются ошибочными, - которые потребовали от астрономов переосмысления того, какие допущения мы должны делать при рассмотрении возможности обитаемости для экзопланета.
Первоначально мы предполагали, что будет обитаемая зона: область, где каменистая планета с достаточной атмосферой может поддерживать жидкую воду на своей поверхности. Теперь мы знаем, что многие миры за пределами этой так называемой обитаемой зоны могут иметь подповерхностные океаны под слоем льда, что экзолуны могут быть пригодны для жизни благодаря приливному нагреву соседней планеты и что подходящая атмосфера может сделать холодным, бесплодный мир, гостеприимный для жизни.
Мы предположили, что наличие планеты, подобной Юпитеру, в нашей Солнечной системе защитило нас от многих серьезных столкновений; теперь мы знаем, что Юпитер на самом деле увеличивает частоту столкновений астероидов и комет с Землей примерно на 350%.
Мы предположили, что все звезды обладают смесью планет земного типа и планет-гигантов; теперь мы знаем, что если звезда не богата тяжелыми элементами, образование каменистых планет невозможно.
В плотных средах с большим количеством звезд, таких как молодые звездные скопления, галактические центры или центры шаровых скоплений, гравитационные взаимодействия могут возмущать орбиты экзопланет, делая их нестабильными. Однако это не может быть объяснением того, почему в шаровых скоплениях не было обнаружено планет; возможно, исследованные скопления бедны металлами и являются причиной отсутствия планет.
И, возможно, самое убийственное, мы предположили, что суперземли, или планеты с массой от 2 до 10 земных, были наиболее распространенным типом планет во Вселенной, и по какой-то загадочной причине их не было нигде. можно найти в нашей Солнечной системе. Хотя это правда, что на сегодняшний день среди всех обнаруженных экзопланет планет в этом диапазоне масс больше, чем в любом другом диапазоне масс, классифицировать их как «суперземли» вводит в заблуждение.
Оказывается, когда вы измеряете массы и радиусы экзопланет вместе, вы обнаружите, что существуют только три широкие категории экзопланет.
- Планеты земной группы/каменистые планеты, которые обычно имеют не более 120-130% радиуса Земли и не более чем в ~2 раза больше массы Земли.
- Нептуноподобные планеты, которые имеют толстую летучую газовую оболочку, покрывающую их поверхность, толщиной не менее тысячи земных атмосфер, которые представляют собой практически все так называемые суперземли вплоть до планет с о массе Сатурна.
- И планеты Юпитера, или миры газовых гигантов, которые демонстрируют самосжатие, в диапазоне от примерно 40% массы Юпитера до примерно в 13 раз больше массы Юпитера, после чего планета становится коричневым карликом. звезда, а масса выше ~ 80 масс Юпитера - полноценная звезда, сжигающая водород.
Когда мы классифицируем известные экзопланеты по массе и радиусу вместе, данные показывают, что существует только три класса планет: земные/каменистые, с летучей газовой оболочкой, но без самосжатия, и с энергозависимая оболочка и с самосжатием. Все, что выше, является звездой. Максимальный размер планеты достигает массы между массой Сатурна и Юпитера, при этом все более и более тяжелые миры становятся меньше, пока не загорится настоящий ядерный синтез и не родится звезда. Выше примерно 1,25 радиуса Земли летучая оболочка является обычным явлением.
Да, из этих общих правил есть исключения, но урок не в том, чтобы возлагать надежды на эти исключения. Скорее, урок состоит в том, чтобы искать реальное присутствие жизни, поскольку только после того, как мы действительно получим подтверждение присутствия жизни в другом мире, мы можем начать делать разумные заявления о том, насколько вероятно, что мир может ее укрывать.
В то же время объявлять мир сверхпригодным для жизни мучительно преждевременно, поскольку наши представления о пригодности для жизни определяются в основном нашими предубеждениями, а не данными.
Тем не менее, есть ряд соображений, которые мы должны учитывать при оценке условий, присутствующих на планете, с точки зрения пригодности для жизни. Мы не можем быть уверены, какой набор условий с большей или меньшей вероятностью приведет к обитаемой планете, но мы можем быть уверены, что эти свойства повлияют на пригодность планеты для размещения на ней жизни. Детали, которые, конечно же, еще предстоит проработать, потребуют гораздо более надежных данных, чем мы имеем в настоящее время. Когда мы думаем о пригодности планет и планетных систем для жизни во Вселенной, мы должны помнить о главных соображениях.
На этой карте с цветовой кодировкой показано содержание тяжелых элементов в более чем 6 миллионах звезд Млечного Пути. Красные, оранжевые и желтые звезды достаточно богаты тяжелыми элементами, поэтому у них должны быть планеты; звезды с зеленым и голубым кодом должны редко иметь планеты, а звезды с синим или фиолетовым кодом не должны иметь вокруг себя абсолютно никаких планет. Обратите внимание, что центральная плоскость галактического диска, простирающаяся до самого галактического ядра, имеет потенциал для обитаемых каменистых планет.
Металличность Это астрономический термин для доли тяжелых элементов - элементов, отличных от водорода и гелия, - присутствующих в звездной системе. Одним из самых захватывающих открытий, сделанных в результате анализа первых 5000 (хорошо, 5069) обнаруженных экзопланет, является тот факт, что очень мало планет существует вокруг звезд, которые не имеют изобилия тяжелых элементов, подобного солнечному. В частности, из всех известных экзопланет с периодом обращения менее 2000 дней (около 6 земных лет):
- Только 10 экзопланет вращаются вокруг звезд, содержащих 10% или меньше тяжелых элементов, обнаруженных на Солнце.
- Только 32 экзопланеты вращаются вокруг звезд, содержащих от 10% до 16% тяжелых элементов Солнца.
- И только 50 экзопланет вращаются вокруг звезд, содержащих от 16% до 25% тяжелых элементов Солнца.
Это означает, что только 92 из 5069 известных экзопланет (всего 1,8%) существуют вокруг звезд с четвертью или меньше тяжелых элементов, обнаруженных на Солнце. Если вы хотите создать планету по сценарию с аккрецией ядра, что является единственным способом сделать каменистую планету близкой к вашей родительской звезде, вам абсолютно необходимо достаточное количество тяжелых элементов. Может быть «пик» металличности, где жизнь наиболее вероятна; после определенного изобилия жизнь может снова стать менее вероятной. Единственный способ узнать зависимость металличности от жизни - это обнаружить и каталогизировать системы, в которых есть жизнь.
(Современная) система спектральной классификации Моргана-Кинана, над которой показан температурный диапазон каждого звездного класса в градусах Кельвина. Подавляющее большинство (80%) звезд сегодня являются звездами класса M, и только 1 из 800 является звездой класса O или B, достаточно массивной для сверхновой с коллапсом ядра. Наше Солнце - звезда класса G, ничем не примечательная, но ярче всех, кроме примерно 5% звезд. Только около половины всех звезд существуют изолированно; другая половина связана с многозвездными системами.
Тип звезды Здесь, на Земле, мы вращаемся вокруг звезды G-типа: звезды с массой вещества в одну солнечную. Такие звезды, как наше Солнце, горят относительно стабильно в течение миллиардов лет, увеличивая выход своей энергии на несколько процентов каждый миллиард лет. Как только они проходят первые несколько сотен миллионов лет, в течение которых они интенсивно вспыхивают, они стабильно горят, пока не превратятся в субгиганта, красного гиганта, а затем закончатся комбинацией планетарной туманности и белого карлика.
Но наше Солнце массивнее примерно 95% всех существующих звезд. Около 75-80% всех звезд маломассивны: красные карлики М-типа. Эти звезды холоднее, менее ярки и намного дольше живут, чем наше Солнце. Они вспыхивают чаще, и все их каменистые планеты быстро становятся привязанными к ним приливами, где одна сторона всегда обращена к их звезде, а противоположная сторона всегда обращена в сторону. Однако они также живут до триллионов лет и горят при очень стабильной светимости, за исключением их склонности к вспышкам.
Звезды К-типа находятся между этими двумя и составляют около 15% звезд: живут дольше, чем наше Солнце, но без вспышек звезд с меньшей массой. Звезды типов O, B, A и F более массивны и живут меньше, чем наше Солнце, но обладают большей выходной энергией и временем жизни до 2-3 миллиардов лет. Какой тип звезд наиболее благоприятен для возникновения жизни? Это умный вопрос; Глупый вопрос - притворяться, что у нас есть ответы.
Масса, период и метод обнаружения/измерения, использованные для определения свойств первых 5000+ (технически, 5005) экзопланет, когда-либо обнаруженных. Хотя существуют планеты всех размеров и периодов, в настоящее время мы склоняемся к более крупным и тяжелым планетам, которые вращаются вокруг меньших звезд на более коротких орбитальных расстояниях. Внешние планеты в большинстве звездных систем остаются в значительной степени неоткрытыми, но те, которые были обнаружены, в основном с помощью прямых изображений, трудно объяснить сценарием аккреции ядра.
Предпочитаемая планетарная масса Вот вам вопрос: насколько велика гравитация на поверхности наиболее предпочтительна для жизни: Земная, меньше чем земной, или больше, чем земной? Какая площадь поверхности идеальна или наиболее предпочтительна для жизни: больше земной, меньше земной или равна земной? Каково наилучшее соотношение суши и воды на планете, чтобы поддерживать жизнь: в основном земля, в основном (или исключительно) вода или какое-то сочетание земли и воды?
А как насчет таких свойств, как скорость вращения планеты: лучше медленнее или быстрее?
А как насчет таких свойств, как осевой наклон? Что лучше: большое, маленькое или среднее? Имеет ли значение, если осевой наклон значительно меняется со временем, т. е. хорошо ли иметь большую стабилизирующуюся луну, или это несущественно?
На данный момент легко делать громкие заявления, потому что у нас нет никаких доказательств того, какие условия наиболее благоприятны для жизни. Над этими вопросами стоит задуматься, особенно когда мы начинаем понимать изобилие планет определенных масс вокруг звезд определенных классов и их распределение с точки зрения этих и других показателей. Но пока у нас нет данных о том, какая часть планет с тем или иным набором свойств на самом деле обитаема, все это остается предположениями.
Наше понятие обитаемой зоны определяется склонностью планеты размером с Землю с похожей на Землю атмосферой на таком конкретном расстоянии от ее родительской звезды иметь емкость для жидкой воды без покрытия льда на его поверхности. Хотя это описывает условия, которыми обладает Земля, неизвестно, является ли это требованием или даже предпочтением жизни.
С 2014 года преобладает гипотеза о том, что самые массивные, но все еще каменистые планеты земной группы с наибольшей вероятностью будут обитаемыми; предпочтительны планеты с массой в два раза больше Земли и радиусом около 120% Земли. Предполагается, что планеты со значительным океаническим покрытием, но с более мелкими океанами, особенно вдоль континентальных шельфов, более благоприятны для жизни. Планеты ближе к центру того, что первоначально называлось обитаемой зоной, должны с большей вероятностью быть домом для жизни, чем планеты ближе к внутреннему краю, такие как Земля. А планеты вокруг звезд с несколько меньшей массой, чем наше Солнце, с немного более плотной атмосферой, чем Земля, считаются наиболее вероятными местами для возникновения жизни.
Все эти предположения весьма сомнительны. Возможно, жизнь, скорее всего, зародится в пресноводных озерах с вулканической активностью под ними - гипотеза гидротермальных полей - делает вопрос о покрытии океана неактуальным. Возможно, большие площади поверхности создают более нестабильные и изменчивые условия на планете, препятствуя раннему зарождению жизни. Возможно, наши представления о том, что представляет собой «обитаемая зона», смехотворны. И, возможно, более массивные, более яркие звезды, обладающие более сильным ультрафиолетовым излучением, с большей вероятностью дадут жизнь; возможно, звездные системы типа K и M в основном бесплодны.
Восемь наиболее похожих на Землю миров, обнаруженных миссией НАСА «Кеплер»: самой результативной миссией по поиску планет на сегодняшний день. Все эти планеты вращаются вокруг звезд меньшего размера и менее ярких, чем Солнце, и все эти планеты больше Земли, и многие из них, вероятно, обладают летучими газовыми оболочками. Хотя в литературе некоторые из них называются сверхобитаемыми, мы пока не знаем, есть ли на них или когда-либо была жизнь на них.
В настоящее время известно много планет, которые могут быть домом для жизни. По вышеуказанным критериям некоторые из них можно отнести к сверхобитаемым, но неизвестно, есть ли в каком-либо из этих миров жизнь. Кеплер-442b, например, часто считают «самой сверхобитаемой» из известных планет, но утверждать, что она более пригодна для жизни, чем Земля, - абсурд с нашими нынешними знаниями.
- Он обладает 134% радиуса Земли и 230% массы Земли, что ставит его прямо на границу наличия летучей газовой оболочки вокруг него.
- Он вращается вокруг звезды K-типа, возраст которой менее 3 миллиардов лет, а средняя температура поверхности -40° C.
- Звезда, вокруг которой она вращается, содержит ~43% количества тяжелых элементов, присутствующих на Солнце, что указывает на то, что она менее обогащена, чем наша звездная система.
- И свойства его атмосферы и океана/земли совершенно неизвестны, поскольку они не были измерены современными технологиями.
Вполне возможно, что Kepler-442b - это планета, изобилующая жизнью. Возможно, жизнь там более разнообразна и эволюционировала до более продвинутой стадии быстрее, чем жизнь на Земле. Но также возможно, что в этом мире нет и никогда не было жизни, и что наши нынешние представления о обитаемости совершенно ошибочны и плохо информированы. На этом этапе игры имеет смысл развлекаться возможностями и искать ответы. Однако утверждать, что они у нас есть, - это просто проявление неоправданного высокомерия.