Размеры планеты тоже важны для её обитаемости

Что такое зона обитаемости?

У астрономов термин “зона обитаемости” обозначает регион космоса с наиболее благоприятными для жизни условиями. Именно в этой области высока вероятность нахождения пригодной для организмов планеты. Признаками такого мира могут стать:

• вода, так как считается, что жизнь на Земле зародилась именно в жидкой среде;
• наличие химических соединений (прежде всего органических);
• инфракрасное излучение;
• наличие звезды, которая дает достаточно энергии.

Примерно 10 лет назад учеными была принята теория о том, что зона обитаемости нашей галактики Млечного Пути представляет собой тор. То есть пригодные для жизни планеты никак не могут находиться как в центре галактики, так и на её окраинах.

Зона обитаемости ограничена несколькими световыми годами, она начинается примерно в 13 тысячах световых лет от центра, а внешний её диаметр достигает примерно 30 тысяч световых лет.

Такое расположение связано с тем, что в сердце галактики довольно высокая плотность звезд. Небесные тела там довольно часто взрываются, уничтожая озоновый слой близлежащих планет. Очевидно, что никакая жизнь долго при таких условиях не продержится.

На окраинах же достаточно много молодых звезд, которые излучают радиацию. Предполагается, что в таких условиях на планетах жизнь возникнуть не может.

Данная теория вызвала сомнения у астробиолога Майкла Гованлока. Он вместе со своими коллегами из Гавайского университета составил новую карту зоны обитаемости. Она более сложная, чем классическая, и учитывает такие параметры, как историю образования звезд, темпы взрыва сверхновых, последние данные об экзопланетах и пространственную плотность звезд. По мнению Гованлока, пригодные для жизни миры нужно искать в системах с более поздними светилами, которые образуются там, где взрываются сверхновые.

Здесь очевидное противоречие: ведь при взрыве сверхновой жизнь погибнет на всех близлежащих планетах. Как же тогда она сможет поддерживаться в регионе, где такие явления постоянны? Майкл Гованлок и его коллеги утверждают, что в галактике все силы уравновешены между собой. По их мнению, хоть часть планет и была опустошена взрывами, многие уцелели и их число весьма велико ближе к центру галактики. Ученые считают, что примерно 1,2% процента звезд могут иметь планеты с пригодными условиями для возникновения жизни.

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.[28] 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.

Как обнаруживают экзопланеты в обитаемой зоне?

Самая главная проблема, которая стоит перед учеными — это сильная отдаленность у экзопланет. Прорыв в исследованиях обеспечил космический телескоп “Кеплер”. Он умеет отслеживать яркость звезды, и если в какой-то момент между телескопом и светилом проходила планета, устройство определяло информацию о её орбите, массе и температурном режиме.

Таким образом, “Кеплер” обнаружил в зоне обитаемости около 30 экзопланет.

Зона обитаемости в Солнечной системе

В нашей Солнечной системе тоже есть границы обитаемости. Считается, что зона, пригодная для жизни, находится примерно на отрезке в 0,95 до 1,37 астрономических единиц от Солнца. Эти величины были установлены исходя из наличия на планетах воды в жидком состоянии. Если небесное тело расположено слишком близко к Солнцу, то вода испаряется из-за высокой температуры. А если слишком далеко, то она будет находиться всегда в замерзшем состоянии.

Перспективы

Разумеется, тот факт, что планета будет находиться в зоне обитаемости еще не означает, что она полностью пригодна для жизни. Требуется учитывать еще целый ряд условий, таких как: состав атмосферы, магнитные поля, продолжительность суток, наличие парниковых газов, тектоника плит и так далее. Это уже сфера интересов науки под названием астробиология.

Сейчас человечество собирается запустить еще больше космических телескопов для более детального изучения экзопланет. Очевидно, что в следующие несколько лет мы будем гораздо больше узнавать о пока еще недоступных нам мирах.

Почему поиск обитаемых планет так сложен

Уже открыто более тысячи экзопланет, из них пригодными для жизни признаны всего 31:

Но даже этим количеством обольщаться не стоит — вполне может оказаться, что хотя эти планеты входят в «зону обитаемости», реальные условия на них, как на нашей Венере, могут сильно отличаться от оценочных, и исключать на них жизнь подобную нашей. Причина этого — невозможность прямого наблюдения планет находящихся в «зоне обитаемости», что означает отсутствие достоверных данных о важнейших параметрах — альбедо планеты, и составе её атмосферы. А без этих параметров оценки температуры на поверхности экзопланеты, очень грубы. Но начнем с вопроса, почему температура на поверхности так важна? Для зарождения и существования жизни подобной земной, требуется присутствие жидкой воды. Поэтому планеты, на которых может существовать жизнь должны входить в так называемую «зону обитаемости», или по-другому «зона Златовласки» — это диапазон орбит, в которых температура на поверхности планеты должна колебаться в диапазоне 0-100 градусов Цельсия. Понятно, что для малых звёзд эта зона ближе к звезде, а для крупных — дальше:

Естественно, жизнь может зарождаться и у звёзд других классов, но их ожидает не завидная судьба — уже для звездного класса A продолжительность жизни звезды будет составлять менее 500 млн лет, и о какой-то эволюции и развитии жизни до сложных форм говорить не приходится.

Самый малый класс звёзд M (коричневые карлики), хотя и имеет продолжительность жизни в десятки млрд лет, считается плохими кандидатами по причине того, что планета должна быть слишком близко к звезде, чтобы получать достаточно энергии. Это может приводить к тому, что приливные силы заставляют вращаться планету, всё время повернутой одной стороной к звезде (как наша Луна повернута одной стороной к Земле), это означает вечный день на одной сторое, и вечную ночь на другой. Так же такой планете потребуется очень плотная атмосфера, чтобы защитить жизнь на своей поверхности от радиации звезды. Вероятность одновременного существования обоих из этих условий считается весьма низким.

И так, с тем где и что искать мы определились, теперь осталось определить — на сколько сложно найти то, что нам нужно. Без точных данных по альбедо, и по составу атмосферы планеты (есть ли она вообще, есть ли парниковый эффект — и каково его действие на планету), мы не сможем точно определить температуру на её поверхности. Так что нам надо увидеть планету своими приборами.

Первую экзопланету удалось запечатлеть наземным 8-метровым телескопом обсерватории Джемини 14 сентября 2008 — это 1RXS J160929.1-210524 b. Это не было планетой в нашем представлении — её масса превышает Юпитер в 8 раз (Землю — и вовсе в 2500 раз), а температура на поверхности составляет 1400 градусов Цельсия. В данном случае к планетам относят все объекты, которые не способны поддерживать термоядерные реакции внутри своего ядра (это как минимум 12,5 масс Юпитера).

Эта звезда находится на расстоянии 470 световых лет от нас и имеет массу чуть меньше массы Солнца. Расстояние между звездой и планетой — примерно 330 а.е. Это конечно же не было пределом измерения для данного телескопа, просто увидеть такую, ещё не остывшую после образования планету и саму излучающую множество света было найти проще всего.

Следующий шаг был сделан уже 13 января 2010 года — с помощью телескопа Very Large Telescope был получен спектр излучения экзопланеты HR 8799 c. Планета находится в 38 а.е. от своей звезды, и в 130 световых годах от нас. Температура поверхности — около 800 градусов Цельсия. По результатам спектрометрии в атмосфере был обнаружен метан, и ещё два вещества: аммиак/ацетилен и углекислый газ/синильная кислота в зависимости от трактовки результатов.

Как можно заметить, эти планеты — разогреты практически «до красна», и это не случайно. Адаптивная оптика и развитие электроники позволило добиться больших успехов на наземных телескопах — влияние возмущений атмосферы удалось практически убрать, осталось лишь небольшое «замыливание» картинки.

А вот 2,4 метровый старичок «Хаббл», которому в этом году исполнилось 25 лет — уже не может составить конкуренции наземным гигантам, достигающим 10,5 метра. А как известно — наша атмосфера практически не пропускает инфракрасные лучи, и даже на такой высокогорной обсерватории, как обсерватория Кека на Гавайях (4145 м), позволяет использовать максимум — видимый свет и ближнюю часть инфракрасного. Так что получить прямые фотографии планет, имеющих температуру около 300 K (как у нашей) они не в состоянии — большая часть их излучения приходится на дальнюю инфракрасную область, а видимая часть — это какие-то крохи.

Будущий космический телескоп «Джеймс Уэбб» будет иметь в 2,7 раза большее зеркало, чем у «Хаббла» — а значит во столько же раз расширится область, в которой он может видеть экзопланеты. Он получит возможность видеть такие же слабые объекты, как и наземные телескопы, а главное — «разглядеть» планеты, которые излучают в инфракрасном диапазоне. Это даст огромный шаг в поиске экзопланет, пригодных для жизни. Возможность получения спектра излучения таких планет даст нам возможность перейти от «оценок» температур, к их точному измерению. А это — главный фактор, по которому проводится поиск пригодных для жизни планет.

phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog Каталог экзопланет, пригодных для жизни www.gemini.edu/sunstarplanet Первая фотография экзопланеты Spatially resolved spectroscopy of the exoplanet HR 8799 c. M. Janson, C. Bergfors, M. Goto, W. Brandner, D. Lafreniere Статья о первом спектральном анализе экзопланеты