Всем привет! Это канал «Феи / Роботы / Пришельцы», меня зовут Сергей Балашов. Сегодня хочу поговорить о дальних планетах в глубинах космоса. Какие из них могут быть пригодными для жизни? Для новых колоний человечества, или для жизни наших братьев по разуму? На какие звезды стоит обратить внимание в первую очередь, какие планеты искать и на что обращать внимание, отправляя корабли с переселенцами? Какие из этих факторов, влияющих на пригодность планеты, мы можем изменить, а какие пока за гранью наших технических возможностей? Об этом и поговорим.
Биохимия земной жизни
На сегодняшний день нам известно более 5000 экзопланет, то есть планет, вращающихся вокруг других звёзд. Однако по-прежнему жизнь мы нашли только на одной - нашей родной Земле. Ни на планетах Солнечной системы, ни на других планетах, которые видим в телескопы, никаких следов жизни пока нет. Тем не менее, мы продолжаем искать признаки ее существования.
Жизнь, как мы её понимаем, это активная форма существования материи, которая содержит в себе «свойства живого»: организация, метаболизм, рост, адаптация к среде, способность к эволюции и воспроизводству.
Любой живой материи нужна энергия. В первую очередь – это энергия химических процессов поглощения и переработки. Это значит, что какой бы мы не представили жизнь, будут существовать пределы для ее обитания: необходимая температура, количество солнечного света и питательных веществ.
Также, на примере земной эволюции, мы можем сделать вывод, что жизнь появляется в виде простейших соединений, которые затем развиваются и усложняются вслед за изменением окружающей среды. Процесс этот идет чрезвычайно долго и нелинейно.
Живые существа на нашей планете состоят из углерода, водорода, кислорода и азота, для химических реакций им нужно жидкая вода. Для возникновения и развития жизни нужна энергия и время.
Конечно, можно представить себе фантастические примеры альтернативной биохимии. Формы жизни, которые развились не на основе углерода, а построили своим молекулы из соединений фосфора или кремния; которые вместо воды используют для жизни аммиак. Конструкты, которые возникли сразу сложными, наделив жизнью неорганическое тело. Искусственные существа, созданные некими невообразимо могущественными предтечами.
Но такие формы жизни пока что даже в теории от нас очень далеки. Поэтому в первую очередь, говоря о планетах, пригодных для жизни людей и инопланетян, мы будем рассматривать условия, близкие к земным.
Пригодность планеты для жизни зависит от нескольких факторов. Это и параметры звезды, вокруг которой будет вращаться такая планета; и ближайшие к этой звезде соседи; и характеристики самой планеты.
Требования к температуре звезды
В первую очередь поговорим свойствах звезды. Мы знаем, что звезды в своем существовании проходят путь эволюции. Звезды главной последовательности, которые могут существовать длительный период времени, бывают разного размера и разной температуры. От наиболее горячих голубых гигантов до небольших красных карликов.
Считается, что для жизни пригодны звезды в среднем интервале, с температурой от четырех до семи тысяч градусов, с жёлтым и оранжевым цветом.
Голубые гиганты, наиболее яркие звезды, быстро сгорают и живут мало по космическим меркам. Самые яркие звезды, которые мы видим на ночном небе, вспыхнули всего лишь десятки миллионов лет назад, они могут быть младше костей динозавров, которые мы находим на нашей планете. Через несколько десятков миллионы лет они полностью израсходуют свой запас топлива и взорвутся сверхновыми, или превратятся в чёрные дыры. По нашему представлению, даже один миллиард лет - это слишком мало для того, чтобы жизнь успела появиться, развиться и уж тем более обрести разум. На Земле для этого потребовалось 4 миллиарда лет.
Также звезды-гиганты излучают много ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Для существования жизни это слишком агрессивная и опасная среда.
Звезды жёлтые и оранжевые, температура и размеры которых меньше, живут намного дольше. Срок жизни нашей звезды – около десяти миллиардов лет, и большую часть этого времени Солнце будет стабильным.
Звезды, подобные Солнцу, излучают достаточно ультрафиолета, чтобы запустить важные для жизни процессы, но не так много, чтобы убить зарождающуюся жизнь.
Что касается звёзд более холодных, то это самые распространённые звезды в нашей галактике: красные карлики Вопрос о том, могут ли красные карлики поддерживать жизнь у своих планет, является одним из ключевых современный астробиологи. Дело в том, что красные карлики составляют три четверти всех звёзд в Галактике. Звезд жёлтого и оранжевого спектрального диапазона гораздо меньше, около 10% всех звёзд. Таким образом, если красные карлики способны поддерживать жизнь, то число потенциально обитаемых миров во Вселенной резко увеличивается.
Однако по современным представлениям маленькие красные звезды - не самые лучшие хозяева для обитаемых планет. Их масса обычно мала, от 10% до 50% массы нашего Солнца. Термоядерные реакции в них идут исключительно медленно, они излучают в сто раз меньше света, чем наша звезда. Благодаря этому срок жизни красных карликов практически вечен, по сравнению с нашей системой. Они будут существовать сотни миллиардов лет. Планеты, которые вращаются вокруг красного карлика, чтобы получать достаточно тепла, должны находиться очень близко к своей звезде. Радиус орбиты по расчетам должен быть в три раза меньше, чем у Земли, примерно такой, как у Меркурия. На таком расстоянии приливное действие звезды может захватить вращение планеты, так что одна её сторона всегда будет повёрнута к звезде, а другая от неё. Смены дня и ночи на такой планеты не будет, а это существенно затрудняет существование жизни.
Также такие звезды излучают большую часть энергии в инфракрасном диапазоне. Для жизни земного типа нужен тот диапазон, который мы называем «видимым светом».
Стабильность звезды
Ещё один фактор, который важен для поддержания жизни на планете — это стабильность изучения звезды. Большинство красных карликов внезапно интенсивно вспыхивает, их яркость может удвоиться за считанные минуты. Такие вспышки на солнце очень вредны для жизни. Они могут разрушать соединения органики и сдувать значительный объем атмосферы планеты в космос. Даже наше Солнце, при всей своей стабильности, время от времени выбрасывает протуберанцы, которые фиксируются жителями Земли. А в течение одиннадцатилетнего цикла Солнце меняет свою светимость на 0,1%. Даже такие изменения предположительно влияют на климат Земли.
Высокая металличность звезды
Ещё одно требование к звезде - это должна быть звезда относительно молодая, из второго или третьего поколения звёзд. Все звезды состоят в основном из водорода и гелия. Однако звезды, возникшие сразу после Большого взрыва, когда во Вселенной не было ничего, кроме этих простейших элементов, не имеют планет. Просто потому, что для планет тогда во Вселенной ещё не было материала. Требуется, чтобы полностью прогорели первые звезды, синтезировав в своих недрах более тяжелые элементы: кислород, углерод, и так далее вплоть до кремния и цинка. После этого таким звёздам предстояло взорваться, и раскидать синтезированные вещества по всей округе, чтобы они вошли в состав новых протопланетных дисков. Из этих элементов образовались бы первые планеты у новых звёзд.
В протопланетном диске, в котором мало химических элементов, либо вообще не появится каменистых планет, либо они будут мало массивными и неблагоприятными для жизни.
Стабильность окружения звезды
Звезды, о которых мы говорим, должны находиться в относительно спокойном участке Галактики. Не в центре звездного скопления, где существует большая концентрация звёзд, а значит и большая интенсивность излучения. Не рядом с чёрными дырами или пульсарами, источниками мощного гамма-излучения. Не рядом с другими звёздами, которые могут нарушать стабильность орбит.
Однако и чрезмерная изоляция звезды приведет к тому, что ей просто не хватит тяжелых элементов, образованных другими звёздами, для того чтобы создать большие планеты. Так что наша Солнечная система находится в идеальном положении - не слишком близко, но и не слишком далеко от центра Галактики.
Поддержание стабильной орбиты планет
У планет вокруг потенциально подходящий звезды должна быть стабильная орбита. Большинство планет вращается по орбитам овальной формы. В нашей Солнечной системе эксцентриситет орбит, то есть степень отклонения от окружности, составляет от 0,007 у Венеры до 0,2 у Меркурия и Плутона.
Планеты нашей звезды в этом плане отличаются от известных нам миров тем, что почти все планеты, кроме Меркурия, вращаются почти круговым орбитам, «сплюснутым» менее чем на 2%. У других миров этот показатель может составлять и 25, и 40%.
Понятно, что чем более стабильна орбита, чем более постоянными будут условия для жизни на планете. Не будет резких перепадов температур и долгих периодов отсутствия солнечного излучения. Для того, чтобы обеспечить такие орбиты, скорее всего звезда должна находиться на значительном отдалении от своих соседей по Галактике.
От нашего Солнце до ближайших звёзд как минимум четыре световых года, расстояние достаточное для того, чтобы их гравитация была практически незаметна в масштабах планеты.
Однако большинство звёзд, которые мы знаем, относится либо к двойным системам, либо к системам с большим количеством звёзд. Такие звезды, образовавшиеся из одного протопланетного диска, находятся друг от друга в пределах от долей астрономической единицы до двух-трех единиц.
По нашим расчётам, невозможны стабильные орбиты планет, если звезды находятся друг от друга на расстоянии меньше 3,5 а.е. Значит, такие планеты не смогут поддерживать жизнь. Однако математическое моделирование показывает, что если расстояние между парными звёздами будет больше, то вокруг каждой из звёзд могут существовать планеты на устойчивых орбитах в пределах зоны обитаемости.
Зона обитаемости
Зона обитаемости, поэтично называемая «Зона Златовласки» — это условная область вокруг звезды, определённая так, чтобы на поверхности планеты в этой области существовали условия для наличия жидкой воды. То есть планета должна быть не слишком далеко и не слишком близко, не слишком жаркой и не слишком холодной, как в сказке про девочку Златовласку и трех медведей.
Наличие воды в жидкой форме – обязательно требование для существования нашей жизни, а это возможно только в узком диапазоне температур и давления.
Границы зоны обитаемости для каждой звезды будут зависеть и от яркости самого светила, и от условий на планете. Эти границы могут меняться со временем. По мере эволюции звезды светимость возрастает по мере горения водорода в ее недрах. Так что если планеты будут находиться внутри зоны обитаемости недостаточно долго, как планеты на орбитах звёзд-гигантов, то скорее всего жизнь на них просто не успеет развиться.
Планета в зоне обитаемости должна находиться далеко от соседей.
Если рядом с потенциальной каменной планетой будет находиться ещё и планета-гигант, её гравитационное воздействие может смещать орбиты, препятствовать образованию крупных планет и менять орбиту существующих. Скорее всего, нечто подобное произошло в Солнечной системе: гиганты Юпитер и Сатурн расчистили свои орбиты, притянув крупные объекты к себе в качестве спутников или вытолкнув их за приделы системы.
В большинстве известных нам звёздных систем с планетами существуют так называемые «горячие юпитеры», газовые гиганты, которые находится слишком близко к родной звезде, тем самым не давая возникнуть стабильным землеподобным планетам.
Но одновременно с тем газовые гиганты на окраине миров играют чрезвычайно важную роль. Своей гравитацией они защищают внутренние планеты от крупных небесных тел, комет и астероидов, которые могут столкнуться с обитаемыми планетами и вызвать угрожающие жизни катастрофы.
Масса и состав планеты
Следующим фактором является масса планеты. Оптимальна будет масса от одной трети Земли до 10 ее масс. Такая планета должна быть землеподобной, состоять из твёрдых элементов, главным образом из силикатных пород.
Если масса такой планеты будет слишком мала, то её низкая гравитация не сможет удерживать слой атмосферы. Газы будет сдувать в открытый космос солнечным ветром. При низком атмосферном давлении невозможно существование жидкой воды.
На планетах без плотной атмосферы может не хватать нужных для появления жизни химических веществ.
Также маленькие планеты быстрее остывают: их площадь поверхности слишком велика по сравнению с их общим объемом. А значит, малые планеты быстрее прекращают геологическую активность, как это случилось с нашим Марсом. После того, как недра планеты остынут, затихнут вулканы и прекратится движение тектонических плит, существенно затормозятся и все остальные процессы. В том числе и процессы, необходимые для поддержания жизни.
Однако планета не должна быть и слишком массивной. У суперземель, которые в десятки раз тяжелее нашей Земли, будет слишком плотный слой водородно-гелевой атмосферы. Из-за высокого давления поверхность будет больше походить на подводный мир, чем на сушу. Скорее всего, сложная многоклеточная жизни в таких условиях развиться не сможет. А даже если и она и появится, то высокая гравитация никогда не позволит этой жизни оторваться от поверхности.
Магнитное поле
Ещё одной характеристикой планеты, которая чрезвычайно важна для возникновения жизни, является наличие магнитного поля.
Поле, которое генерируют источники внутри планеты, защищает от ионизирующего излучения звезды и тем самым делает условия на ней более мягкими. Без магнитного поля космические лучи непрерывно бомбардировали бы поверхность планеты и были губительны для жизни на ней.
Поддерживать такое магнитное поле может только планета с большим внутренним ядром, содержащим большое количество железа. Планета должна быть достаточно массивной и быстро вращаться, чтобы в ее внутреннем ядре возник динамо-эффект.
Наклон оси
Ещё одним фактором является наклон оси вращения планеты относительно плоскости её эклиптики. Мы не можем сказать точно, насколько это важный параметр. Несомненно, наша наклонённая на 23° земная ось создает большее климатическое разнообразие, у нас больше область потенциального обитания. При вертикальной оси на плюсах было бы всегда холодно, а на экваторе всегда жарко, не было бы смены времён года, которая является одним из дополнительных стимулов эволюции.
Также мы не знаем, насколько важно наличие крупного спутника, такого как Луна. По самой популярной сейчас гипотезе Луна образовалась, когда в Землю врезалось тело размером с Марс, в самом начале существования Солнечной системы. Именно благодаря этому у Земли сейчас такой наклон оси. Наличие Луны на орбите удерживает этот угол относительно стабильным. Да, ось колеблется, с периодом в сорок одну тысячу лет. Однако расчёты показывают, что если бы Луны не было, то колебания были бы значительно сильнее.
Но вполне возможно, что и на планетах с другим типом смены климата и другой продолжительностью дня и ночи может существовать жизнь.
Геохимия
Основа земной жизни — это углерод, водород, кислород и азот. С одной стороны, это самые распространённые химические элементы во Вселенной. Они есть даже в метеоритах и межзвёздной среде. Вместе они образуют 96% всей биомассы Земли. Углерод является строительным веществом для сложных молекул и основой для формирования живых клеток; водород и кислород вместе образуют воду, идеальный растворитель, в котором проходят биологические процессы. Энергию, которая высвобождается при связи углерода с кислородом, используют все сложные форм жизни.
Эти четыре элемента образуют аминокислоты, основы белков, в том числе и молекул ДНК И РНК, необходимых для хранения и передачи генетической информации из поколения в поколение.
Есть версия, что большая часть воды не образовалась сразу на Земле, но была принесена с ледяными метеоритами в первые тысячелетия существования планеты. Также много кислорода было образовано из земной коры в результате вулканической деятельности. Возможно, в жизнепригодной планетной системе вокруг других звёзд должны повториться какие-то из этих факторов. Например, также должен существовать перенос воды кометами из внешних областей звёздной системы во внутрь.
Расширение возможностей
Конечно, даже для известной нам земной жизни можно представить себе условия, отличающиеся от описанных. Вполне возможно, что у звезды может существовать газовый гигант в зоне обитаемости, и тогда один или несколько её спутников, вращающихся вокруг планеты, вполне могут оказаться пригодным для жизни. От излучения такие спутники будет защищать магнитное поле большой планеты, а излучаемого ею тепла будет достаточно для спутника.
Мы знаем о существовании микроскопических живых организмов, экстремофилов, которые могут обитать и размножаться в предельных условиях. Микроорганизмы теоретически могут существовать в верхних слоях атмосферы чрезвычайно горячих или массивных планет, или в разломах и пещерах на планетах со слабой атмосферой, или на дне океана под большим давлением, в кратерах вулканов и на засушливых планетах с малым количеством воды.
Разумеется, открытие любой такой внеземной жизни было бы сенсацией для космической биологии и планетологии. Но нам интереснее миры, где возможно наличие сложной, а ещё лучше разумной жизни!
Индекс подобия Земле
Для оценки пригодности планет для жизни разработана целая система. Существуют две шкалы: индекс подобия Земле и индекс обитаемости планет.
Индекс подобия Земли позволяет ответить на вопрос, насколько планета по физическим характеристикам похожа на нашу. Индекс обитаемости добавляет к этому еще и факторы, важне для наличия жизни.
Учитывается совокупность физических параметров по сравнению с аналогичными параметрами нашей планеты. В расчете учитывается масса, плотность, расстояние от звезды, а также тип поверхности, наличие атмосферы и магнитного поля, интенсивность получаемой звёздной энергии, наличие воды и других веществ.
Из всего большого списка известных нам планет, 59 из них имеют индекс обитаемости выше 0,8, то есть являются потенциально пригодными для жизни таких, как мы.
Однако стоит учитывать, что для некоторых из этих небесных тел мы ещё не знаем всего набора факторов, такого как состав и наличие атмосферы, воды на поверхности и точное расстояние от родной звезды.
Для сравнения стоит понимать, что у Венеры по этой шкале индекс обитаемости составляет 0,78. То есть она очень похожа на Землю и потенциально может стать новым домом для человечества. Но мы знаем, что на поверхности Венеры из-за чрезвычайно сильного парникового эффекта огромное давление и дожди из серной кислоты. У Марса этот индекс ниже, 0,64.
При этом некоторые известные нам экзопланеты уже получили более высокий индекс. Это не означает, что на них есть жизнь, или они гарантированно будут похожи на Землю. Но есть все основания этого ожидать.
Это планеты Teegarden b, TOI-700 d, Kepler-1649 c иTRAPPIST-1 d. Все они вращаются вокруг одиночных красных карликов. Вторая планета, которую мы нашли на орбите звезды Teegarden в созвездии Овна, находится на расстоянии около 12,5 световых лет от Солнца. Она находится на круговой орбите на расстоянии 0,02 а.е. от материнской звезды, примерно в 15 раз меньше, чем расстояние от Солнца до Меркурия. Год на ней длится чуть менее 5 земных суток. Масса планеты на 25% больше массы Земли.
Мы не знаем, есть ли у Teegarden b атмосфера. Если есть, то климат ее может варьироваться в широких пределах: от -50°С до +50°С. Но все равно, это весьма обнадеживающий результат.
Терраформирование
Вот далеко не полный список факторов, которые влияют на то, может ли планета быть пригодна для известной нам жизни. Некоторые из этих факторов можно исправить наличием самой жизни. Например, количество кислорода в атмосфере Земли менялась по мере развития. За миллиарды лет возникали аэробные организмы, которые выделяли кислород в результате своей жизнедеятельности. Есть гипотеза, что биосфера любой планеты сама создает и поддерживает подходящие для себя условия.
Мы можем придумать смелые планетарные решения для того, чтобы сделать планету более удобную для нашего обитания.
Ускорить вращение планеты и разогреть ее недра. Сократить или увеличить количества света, которая попадает на её поверхность. Придумать способы занести на ее атмосферу растения для изменения химического состава атмосферы. Бомбардировать поверхность ледяными метеоритами из других областей.
Конечно, сами по себе эти задачи не легче, чем задача достигнуть этих самых других планет. Вполне возможно, что альтернативная биохимия распространена куда больше, чем мы представляем себе, и сложные формы жизни вполне могли появиться и в других условиях. Это делает наличие жизни куда более частым и вероятным явлением.
Действительно, не может же Земля быть уникальной, единственной обитаемой планетой во всей Вселенной?!
В смелых научных и фантастических концептах существуют искусственные миры, которые могут создавать развитые цивилизации. Не искать планеты, подобные своей, а перелетать на уже созданных планетах-ковчегах.
Но эта тема уже для другого разговора. Спасибо что слушали! А вы бы хотели жить на другой планете? Напишите в комментариях.
Канал «Феи / Роботы / Пришельцы» можно читать на Дзен, в Телеграме и ВКонтакте. Аудиоверсия подкаста доступна на сервисах Яндекс.Музыка, Apple Podcasts, Google Podcasts и в подкастах ВКонтакте. Видео-версию смотрите на канале YouTube и RuTube.
Поддержать канал можно на сервисе Boosty по ссылке в описании.
Оставляйте комментарии и ставьте оценки. Не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить новые выпуски. Скоро увидимся!