Как астрономы ищут планеты в обитаемой зоне, какие условия необходимы для формирования жизни и что интересного открыли на сегодняшний день?
Зона обитаемости (анг. habitable zone) — это область вокруг звезды с наиболее благоприятными условиями для жизни известного нам земного типа. Пригодность для жизни определяется следующими факторами: наличием воды в жидкой форме, достаточно плотной атмосферой, в том числе, для ограничения воздействия вредных излучений от звезды, химическим разнообразием (простые и сложные молекулы на основе H, C, N, O, S и P) и достаточным количеством энергии от материнской звезды.
История изучения
Астрофизики начали изучать условия, пригодные для жизни земного типа, конечно же, с Солнечной системы. На орбитах вокруг Солнца вращаются четыре планеты земного типа: Меркурий, Венера, Земля и Марс. У Меркурия отсутствует атмосфера, и он находится слишком близко к Солнцу — вот первые два условия. Позже стало понятно, что, даже будь у этой планеты атмосфера, она была бы унесена солнечным ветром.
Венеру, Землю и Марс можно рассматривать, как очень схожие миры. Они возникли практически в одном месте и при одинаковых условиях около 4,5 миллиардов лет назад. И поэтому с точки зрения астрофизики их эволюция должна быть довольно схожей. Сейчас, во времена экспансии человека в космическое пространство, когда мы далеко продвинулись в изучении этих планет при помощи автоматических космических аппаратов, полученные результаты показали принципиально различные условия на них. Теперь мы знаем, что на Венере очень высокие давление и температура на поверхности (460–480 °C) — парниковый эффект на этой планете по неизвестным причинам вышел из под контроля. Изучить непосредственно атмосферу Венеры и даже её поверхность получилось только у СССР.
В период с 1961 по 1985 года были запущены 24 автоматических космических аппарата (АКА). Первые аппараты погибали, так как не было достоверных данных об атмосфере. С первых панорамных снимков поверхности мы увидели практически не приспособленную к жизни пустыню, в которой идут кислотные дожди. Вода в любой форме естественно отсутствует.
На предстоящие 15 лет в российской программе освоения Солнечной системы запланированы, к сожалению, только 2 КА к Венере.
В противоположность Венере есть Марс — холодный мир. Марс практически потерял и продолжает терять атмосферу. Это опять же пустынная поверхность. Атмосфера из углекислого газа очень разреженна; на Марсе есть вода в жидкой форме, несмотря на постоянную температуру ниже нуля. Это возможно благодаря перхлоратам —хлорсодержащим химическим соединениям, впервые обнаруженным на Марсе в 2008 году в плоской долине АКА Mars Phoenix. Фактически перхлораты превращают воду в кислотный рассол. Для людей перхлораты токсичны в любых концентрациях, но на Земле есть микроорганизмы, способные жить в таких растворах, правда, в гораздо меньших концентрациях, чем они представлены на Красной планете.
Осталась Земля. Всё известное многобразие жизни представлено именно на этой планете. Таким образом, в Солнечной систмеме есть три таких похожих, но, при этом, кардинально отличных друг от друга планеты, с помощью которых мы можем изучать условия, принципы и этапы возникновения жизни. Именно на этих представлениях и возникла идея о зоне обитаемости.
Как определяются внутренние и внешние границы зоны обитаемости?
Мы всегда полагали, что у других звёзд должны быть планеты, но инструментальные возможности позволили нам открыть первые экзопланеты всего лишь 20 лет назад.
Считается, что в нашей Солнечной системе обитаемая зона находится на расстоянии 0,95 – 1,37 а. е. от Солнца. Мы знаем, что Земля расположена приблизительно в 1 а. е. от Солнца, Венера — 0,7 а. е., Марс — 1,5 а. е. Если мы знаем к какому классу относится звезда, то посчитать центр зоны обитаемости очень легко — нужно просто взять квадратный корень из отношения светимости этой звезды и отнести к светимости Солнца, то есть:
Rае=(Lзвезда/Lсолнце)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.
Следует понимать, что просто оказаться в зоне обитаемости мало для того, чтобы говорить о наличии жизни. Необходимо понимать состав атмосферы рассматриваемой планеты и в особенности наличие парниковых газов. Именно они обеспечивают мягкий климат на нашей планете, так как парниковые газы вызывают разогрев атмосферы. Но в случае катастрофически нарастающего парникового эффекта (как, например, на Венере) происходит испарение воды с поверхности планеты,а повышающаяся температура не даёт воде конденсироваться и выпадать в виде дождя.
Помимо расположения и наличия приемлемой концентрации парниковых газов существует целый ряд геофизических и биохимических явлений и процессов, которые необходимы для возникновения и поддержания известной нам жизни, таких как наличие у планеты магнитного поля, тектоники плит, продолжительность суток и многих других. Изучением этих процессов занимаются астробиологи.
Поиск планет в обитаемой зоне
Астрофизики в первую очередь занимаются поиском экзопланет, а затем определяют их тип и только после этого определяют, находятся ли они в зоне обитаемости своей звезды. 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.
В широком смысле поиски жизни — это поиски биомаркеров. Основных биомаркеров пять — это кислород, озон, вода, метан и углекислый газ.
Если эта пятерка присутствует в атмосфере изучаемой планеты, то мы можем с очень большой степенью надежности сделать вывод, что там присутствует жизнь земного типа.
Следует понимать, что каждый из этих биомаркеров по отдельности может иметь естественное происхождение. Если кислород, или вода, или метан сами по себе присутствуют в атмосфере какой-нибудь экзопланеты, то это не является гарантией того, что там существует жизнь земного типа. Но если, например, мы видим кислород вместе с метаном, то мы знаем, что в больших количествах эти элементы, встречаясь в атмосфере, начинают взаимодействовать и убирают друг друга. Если на Земле мы выключим все процессы, производящие кислород и метан, связанные с жизнью, то за довольно короткое время в атмосфере Земли не останется этих веществ.
Это космическая обсерватория NASA, начавшая работу в 2009 году, созданная специально для поиска экзопланет. КТ «Кеплер» создан для поиска экзопланет транзитным методом, когда фотометр отслеживает изменение яркости звезды в момент прохождения планеты между ней и телескопом. Это даёт информацию об орбите планеты, ее массе, температурном режиме.
На сегодняшний день Kepler достоверно открыл 132 экзопланеты. Список надёжных кандидатов в экзопланеты составляет около 3000 объектов.
Что будет дальше?
Мы ожидаем в ближайшее время ввода в эксплуатацию несколько новых наземных и космических телескопов. Среди прочего предполагается к запуску и космический телескоп «Спектр-УФ». Институт астрономии РАН активно работает над этим проектом. В 2018 году будет запущен американский космический телескоп им. Джеймса Уэбба — это следующее поколение КТ, который продолжит исследования, начатые КТ им. Хаббла. Мы наконец-то сможем наблюдать состав атмосферы — это грандиозный шаг. Запланировано несколько специализированных миссий по исследованию экзопланет, например, миссия NASA TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Все профессионалы и любители астрономии ждут этих инструментов с замиранием сердца.
Ваш Д.
