Экзопланеты. Часть третья: обитаемость

3В закладки

Специалист по аналитике данных Эклавья Саркар рассказывает о том, как астрономы изучают экзопланеты в серии из трёх материалов. В третьей части речь пойдёт об обитаемости внесолнечных миров.

Для тех, кто не ознакомился с предыдущими двумя частями цикла, имеется пара ссылок:
Первая часть: методы и открытия
Вторая часть: интерпретация данных

Существует две возможности: либо мы одиноки во Вселенной, либо нет. Обе одинаково ужасны.

Артур Кларк

Обитаемость

Поиск внесолнечных миров частично мотивирован нашим желанием понять, как происходит формирование планетных систем. Но конечной целью наших изысканий всё-таки является обнаружение внеземной жизни. В предыдущих частях мы разобрались с методами поиска экзопланет, а также полученными с помощью  различных инструментов данными. Мы поняли, что они вполне укладываются в нашу физическую картину мира. Поэтому настало время поговорить об обитаемости.

Чтобы иметь возможность поддерживать жизнь, планета должна удовлетворять некоторым специфическим характеристикам — определённым условиям, которые необходимы для создания необходимой среды. В настоящее время нет оснований полагать, что планеты с такими условиями встречаются крайне редко. Их обнаружение — это лишь вопрос времени. 

Следует помнить, что оценка жизнепригодности планеты в значительной степени базируется на характеристиках Земли. Поэтому мы ищем только ту жизнь, которую знаем, хотя вполне возможно, что она может существовать в различных формах и условиях. В этой (последней) части цикла будут рассмотрены основные факторы, необходимые для существования на экзопланетах жизни, похожей на нашу.

Уравнение Дрейка

Прежде чем приступить к рассмотрению этих факторов, стоит вспомнить о двух известных фигурах в астрономии. И их представлениях о жизни за пределами Земли.

Известный американский астроном Карл Саган знаменит своими исследованиями и размышлениями о внеземной жизни. Он, как и многие другие астрономы, считал, что наша галактика просто кишит ею. И поэтому должно существовать большое множество внеземных цивилизаций. Однако из-за отсутствия доказательств существования этих цивилизаций, он опирался на предположение, что они склонны к самоуничтожению по достижению определённого уровня технологического развития.

Дидье Кело, открывший первую экзопланету у солнцеподобной звезды вместе с Мишелем Майором, разделяет мнение Сагана о том, что где-то во Вселенной существует жизнь. Но он подчёркивает, что для её возникновения необходима цепь некоторых событий, в которых немаловажным фактором является удача. Следовательно, жизнь в нашей галактике — не такое уж и распространённое явление.

Саган и Кело надеются на то, что во Вселенной существует жизнь, но их представления несколько отличаются. Другой известный астрофизик — Фрэнк Дрейк — придумал математическое уравнение, которое оценивает теоретическое число возможных цивилизаций в нашей галактике. Это уравнение выглядит следующим образом:

Где:

  • N — количество цивилизаций в нашей галактике, с которыми можно наладить связь
  • R * — средняя скорость звездообразования в нашей галактике (звёзд в год)
  • fp — доля звёзд, имеющих планетные системы;
  • ne  — количество потенциально жизнепригодных планет в одной системе;
  • fl — доля жизнепригодных планет, на которых действительно существует жизнь; 
  • fi — доля планет, на которых возникает разумная жизнь;
  • fc — доля цивилизаций, разработавших технологии, которые могут выдать их местоположение в космосе;
  • L  — промежуток времени, в течение которого эти цивилизации могут направлять сигналы в космос (выраженный в годах)

Уравнение Дрейка отличается от любого из предыдущих уравнений, связанных с поиском экзопланет. В нём довольно большое число неизвестных переменных. Из-за этих неопределённостей оно не имеет точного решения. Мы можем говорить лишь о вероятностях. По мере изучения Вселенной некоторые из значений переменных становятся всё более точными. Следовательно, более точным становится и результат.
Учёные признают это, но всё равно делают довольно грубые оценки на основании формулы. С текущим багажом знаний мы можем утверждать, что первые три члена уравнения ближе к 10, чем к 1, а все остальные члены — меньше единицы. Но, сделав некоторые допущения, мы можем упростить уравнение:

Формула выше означает, что число цивилизаций, с которыми мы имеем шанс вступить в контакт, примерно равно продолжительности их существования (к этому же выводу пришёл и Дрейк вместе со своими коллегами в 1961-м году).

То есть подразумевается, что на самом деле число таких цивилизаций не является большим (но оно резко станет таковым, если SETI удастся зафиксировать сигнал, который будет классифицирован как сигнал внеземной цивилизации). 

Из-за конечности скорости распространения сигнала, мы получим информацию только о прошлом той цивилизации, которая нам этот сигнал отправила. И она должна быть достаточно развитой, чтобы иметь такую возможность. Это может дать нам кое-какое представление о среднем времени жизни цивилизаций, в том числе нашей собственной. Хотя тут возникает и более прагматичный вопрос: даже если мы обнаружим признаки разумной жизни, то каким образом мы будем с ней коммуницировать?

Рецепт жизни

Практически 75% поверхности Земли покрыто водой. Вода является очень важным ресурсом для всех живых организмов. Растения используют её в качестве растворителя для получения некоторых питательных веществ из минералов из почвы. Океаны (и водоёмы поменьше) служат домом для огромного количества видов жизни. Облака в атмосфере Земли также состоят из воды. И, конечно же, всем животным вода необходима просто для выживания. Вся жизнь на нашей планете построена вокруг этого вещества. Поэтому считается, что если на планете нет условий для поддержания воды в жидком состоянии, то жизнь земного типа на ней отсутствует. 

Среди большинства людей распространено мнение, что вода является очень редким веществом. Это не так. Она была обнаружена в межзвёздных облаках и в нашей галактике, и в других. Взгляните на химический состав молекулы воды:

Один атом кислорода плюс два атома водорода

Водород — это самый распространённый элемент во Вселенной. Кислород стоит по распространённости на третьем месте. Все планеты Солнечной системы, за исключением Урана и Нептуна, содержат в своих атмосферах водяной пар. Атмосфера одного из спутников Сатурна — Энцелада — состоит из водяного пара на 91%. И этот спутник является потенциально обитаемым.

Однако для развития жизни требуется вода в жидком агрегатном состоянии. И вот она-то встречается гораздо реже. Её присутствие на поверхности планеты определяется температурными условиями и атмосферным давлением, которое может варьироваться в зависимости от гравитации (а следовательно массы) планеты. Все эти условия должны быть соблюдены, при этом планета должна находиться в обитаемой зоне своей звезды и иметь поверхность — газовые гиганты тут в пролёте (чего нельзя сказать об их спутниках — прим. переводчика).

Агрегатные состояния воды

По сути, существование жизни на планете зависит от трёх факторов: удалённости планеты от звезды, массы планеты и её атмосферы. Разберём подробнее каждый из них.

Расстояние

Для того, чтобы поддерживать наличие воды в жидком агрегатном состоянии, планета должна иметь каменистую поверхность и находиться на идеальном расстоянии от своей звезды. На слишком удалённой планете вода будет представлена преимущественно льдом; на слишком близкой к звезде — водяным паром. Между этими двумя крайностями и находится наше райское местечко — обитаемая зона.

Обитаемая зона в Солнечной системе

Эту область также иногда называют зоной Златовласки. Это отсылка к персонажу из сказки “Три медведя”, в которой маленькая девочка заблудилась в лесу. Она находит пустое жилище и заходит туда, после чего пытается воспользоваться тамошними предметами — тарелками, стульями и кроватями. Причём только один из предметов в каждом наборе является подходящим ей — не “горячим” и не “холодным”. 

Границы обитаемой зоны индивидуальны для каждой звезды. Чем массивнее звезда, тем больше энергии она излучает. Поэтому у тяжёлых звёзд обитаемая зона находится дальше, а у лёгких — ближе.

Наглядное представление зависимости удалённости обитаемой зоны от размеров звезды

В поисках планет, похожих на Землю, мы ориентируемся на обитаемую зону. Но нахождение планеты в этом месте не означает, что на ней есть жизнь. Ибо следует не забывать об ещё двух важных факторах. Поговорим о массе.

Масса

Планета, расположенная в пределах обитаемой зоны, должна иметь достаточно сильную гравитацию, чтобы быть способной удержать собственную атмосферу. Атмосфера, по сути, является слоем изоляции, поддерживающим на планете необходимую температуру. Рассчитать ускорение свободного падения (гравитацию) у поверхности планеты можно по следующей формуле:

Где:

  • G — гравитационная постоянная, равная 6,67·10−11 м3·с−2·кг−1 ;
  • M — масса планеты в килограммах;
  • r — радиус планеты в метрах.

Как можно увидеть, гравитация зависит от массы и радиуса планеты. Это очень важно. Если бы наша планета имела меньший радиус и массу, то сила тяжести была бы значительно слабее. Из-за этого Земля не смогла бы удерживать молекулы воды от улетучивания в космос. Её атмосфера постепенно бы истончалась. Это бы снизило эффективность работы “изоляционного слоя” — на планете были бы  экстремальные температуры, которые не подходят для поддержания воды в жидком состоянии. По этой причине жидкая вода не может существовать на Марсе (теоретически, в некоторых местах на Марсе вода может переходить в жидкое состояние на непродолжительное время. Одним из таких мест является Равнина Эллада, на дне которой уровень атмосферного давления примерно в два раза выше, чем в среднем по Марсу — прим. переводчика). Вот почему критически важно знать точную массу планеты при оценке её обитаемости.

Атмосфера

Вероятно, самый важный элемент для поддержания жизни. Существование воды в жидком состоянии невозможно без атмосферного давления. Возьмём, например, Луну. У нашего спутника практически отсутствует какая-либо атмосфера. Поэтому, если мы решим вылить немного воды на поверхность Луны, то мы получим либо пар, либо водяной лёд. Итак: атмосфера планеты должна быть достаточно плотной, чтобы поддерживать необходимый температурный режим и давление для существования жидкой воды.

Тем не менее, толщина атмосферы не является единственным важным компонентом головоломки обитаемости. Потому что стоит учитывать её состав. Давайте рассмотрим Венеру в качестве примера. По физическим характеристика эта планета — практически близнец Земли. Она находится на внутреннем краю обитаемой зоны, сила тяжести примерно 90% от земной (планета на 18% меньше Земли по диаметру и на 14% по массе). Плотность планет-близнецов практически одинакова. Инопланетный астроном посчитал бы Венеру хорошим местом для жизни!

Сравнение размеров Венеры и Земли

Пока не взглянул бы на состав её атмосферы. Венера непригодна для жизни: там невероятно жарко. Венерианский воздух на 95% состоит из углекислого и других парниковых газов и лишён молекулярного кислорода полностью! Атмосферное давление в 92 раза больше, чем на Земле. Магнитное поле практически отсутствует. Поэтому солнечный ветер выдувает остатки водорода, необходимого для формирования молекул воды, прочь из атмосферы. Эта планета — попросту огромных размеров пустыня. 

Поиск планет, у которых есть относительно плотная атмосфера, а их масса и расстояние до звезды примерно равны земным — это только начало. Наличие этих трёх параметров не обязательно означает наличие жизни. И Венера яркий тому пример. Мы должны внимательно изучать состав атмосфер экзопланет. Наша задача в ближайшем будущем состоит в том, чтобы найти в них важные для жизни элементы — водород, кислород, азот и углерод — в правильных количествах и пропорциях. Эти элементы закладывают основу для той жизни, которую мы знаем. Фактический список ингредиентов для жизни гораздо больше. Правильная орбита и вращение, геохимия и геология — факторов великое множество.

Заключение

Но даже ряд последовательных явлений, необходимых для возникновения жизни, зависит от одного очень важного фактора, который нельзя контролировать или классифицировать. Случайность. Возможно, по чистой случайности, в далёком прошлом вода была “импортирована” на Землю благодаря столкновениями с кометами. Удача может быть ещё одним фактором в формировании биосфер других миров.

А что насчёт альтернативной биохимии? Что если вода — не единственное вещество, являющееся основой жизни? Могут ли живые организмы существовать в какой-то необычной или экстремальной среде? Об этом можно говорить бесконечно. Но единственный способ узнать это — начать исследовать.

Первая часть: методы и открытия
Вторая часть: интерпретация данных

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

23
Войдите, чтобы видеть ещё 2 комментария, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Грустный Илон
Вечность назад

Спасибо за перевод! Но с подстановской фактических значений в формулу N=... что-то не так! fp=10 - это в чём, в процентах? ne=10 -- это что, они считают, что "количество потенциально жизнепригодных планет в одной системе" равно аж 10 штукам??? Ну я бы при всём оптимизме больше одной такой планенты на систему не дал бы!!! Или под "потенциально жизнепригодными" они понимают "каменистые планеты, похожие на Землю, Венеру и Марс"? Но даже тогда 10 - это слишком много! И вообще, все f-ы в одном уравнении должны быть в одинаковых единицах записаны, либо в процентах, либо в долях, а там похоже всё смешали в кучу.

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
If you were unable to log in, try this link.