Ako hľadajú planéty v obývateľnej zóne, aké podmienky sú potrebné na formovanie života a čo je zaujímavé pri objavovaní exoplanety Proxima b
Obytná zóna, ktorá sa v angličtine nazýva obytná zóna, je oblasť v priestore s najpriaznivejšími podmienkami pre život pozemného typu. Termín biotop znamená, že sú splnené takmer všetky podmienky života, jednoducho ho nevidíme. Vhodnosť pre život je určená nasledujúcimi faktormi: prítomnosť vody v kvapalnej forme, dostatočne hustá atmosféra, chemická diverzita (jednoduché a komplexné molekuly založené na H, C, N, O, S a P) a prítomnosť hviezdy, ktorá prináša požadované množstvo energie.
História štúdia: pozemské planéty
Z hľadiska astrofyziky existovalo niekoľko podnetov pre vznik koncepcie obývateľnej zóny. Zoberme si našu slnečnú sústavu a štyri pozemské planéty: Ortuť, Venuša, Zem a Mars. Ortuť nemá atmosféru a je príliš blízko Slnka, preto pre nás nie je príliš zaujímavá. Je to planéta so smutným osudom, pretože aj keby mala atmosféru, bola by unesená slnečným vetrom, to znamená prúdom plazmy, ktorý neustále prúdi z hviezdovej koróny.
Zvážte zvyšok pozemských planét v slnečnej sústave - to sú Venuša, Zem a Mars. Vznikli prakticky na rovnakom mieste a za rovnakých podmienok - pred 4,5 miliardami rokov. Preto by mal byť ich vývoj z hľadiska astrofyziky dosť podobný. Teraz, keď sme na začiatku kozmického veku pokročili v štúdiu týchto planét pomocou kozmickej lode, získané výsledky ukázali na týchto planétach veľmi odlišné podmienky. Teraz vieme, že Venuša má veľmi vysoký tlak a na povrchu je veľmi horúca, 460 - 480 ° C - to sú teploty, pri ktorých sa dokonca mnoho látok topí. A z prvých panoramatických snímok povrchu sme videli, že je úplne neživý a prakticky neprizpůsobený životu. Celý povrch je jedným kontinentom.
Pozemské planéty - Ortuť, Venuša, Zem, Mars
Propagačné video:
commons.wikimedia.org
Na druhú stranu, Mars. Je to studený svet. Mars stratil svoju atmosféru. Je to opäť púšť, aj keď sú tu hory a sopky. Atmosféra oxidu uhličitého je veľmi tenká; ak tam bola voda, potom bola všetka zmrznutá. Mars má polárnu čiapku a nedávne výsledky misie na Mars naznačujú, že pod piesočným krytom - ľadovec existuje ľad.
A Zem. Veľmi priaznivá teplota, voda nezamrzne (aspoň nie všade). A na Zemi vznikol život - primitívny aj mnohobunkový inteligentný život. Zdá sa, že vidíme malú časť slnečnej sústavy, v ktorej sa vytvorili tri planéty, nazývané pozemské planéty, ale ich vývoj je úplne iný. A na týchto prvých myšlienkach o možných cestách vývoja samotných planét vznikla myšlienka obývateľnej zóny.
Hranice obývateľnej zóny
Astrofyzici pozorujú a študujú svet okolo nás, vesmír, ktorý nás obklopuje, to znamená našu slnečnú sústavu a planétové systémy v iných hviezdach. A ak chcete nejakým spôsobom systematizovať, kde hľadať, o aké objekty sa zaujímate, musíte pochopiť, ako určiť obytnú zónu. Vždy sme verili, že iné hviezdy by mali mať planéty, ale inštrumentálna sila nám umožnila objaviť prvé exoplanety - planéty umiestnené mimo slnečnej sústavy - pred 20 rokmi.
Ako sa určujú vnútorné a vonkajšie hranice obytnej zóny? Predpokladá sa, že v našej slnečnej sústave sa obývateľná zóna nachádza vo vzdialenosti 0,95 až 1,37 astronomických jednotiek od Slnka. Vieme, že Zem je 1 astronomická jednotka (AU) od Slnka, Venuša je 0,7 AU. Mars, 1,5 a. e) Ak poznáme jasnosť hviezdy, potom je veľmi ľahké vypočítať stred obývateľnej zóny - stačí vziať druhú odmocninu pomeru svietivosti tejto hviezdy a odkázať na svietivosť Slnka, ktorá je:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Tu je Rae priemerný polomer obývateľnej zóny v astronomických jednotkách a Lstar a Lsun sú bolometrické svietivosti hľadanej hviezdy a Slnka. Hranice obývateľnej zóny sú stanovené na základe požiadavky prítomnosti kvapalnej vody na planétach nachádzajúcich sa v nej, pretože v mnohých biomechanických reakciách je nevyhnutným rozpúšťadlom. Za vonkajšou hranicou obývateľnej zóny planéta nedostáva dostatok slnečného žiarenia na kompenzáciu strát žiarenia a jej teplota klesne pod bod mrazu vody. Planéta umiestnená bližšie k hviezde, ako je vnútorná hranica obývateľnej zóny, bude jej žiarením nadmerne zahrievaná, čím sa voda odparí.
Presnejšie povedané, vnútorná hranica je daná vzdialenosťou planéty od hviezdy a zložením jej atmosféry, a najmä prítomnosťou takzvaných skleníkových plynov: vodnej pary, oxidu uhličitého, metánu, amoniaku a ďalších. Ako viete, skleníkové plyny spôsobujú zahrievanie atmosféry, čo v prípade katastroficky rastúceho skleníkového efektu (napríklad skorá Venuša) vedie k odparovaniu vody z povrchu planéty a strate z atmosféry.
Vonkajšia hranica je už druhou stranou problému. Môže to byť oveľa ďalej, keď je málo energie zo Slnka a prítomnosť skleníkových plynov v atmosfére Marsu nestačí na to, aby skleníkový efekt vytvoril mierne podnebie. Akonáhle je množstvo energie nedostatočné, skleníkové plyny (vodná para, metán atď.) Z atmosféry kondenzujú, padajú ako dážď alebo sneh atď. A skutočné skleníkové plyny sa akumulovali pod polárnym uzáverom na Marse.
Je veľmi dôležité povedať jedno slovo o obývateľnej zóne pre hviezdy mimo našej slnečnej sústavy: potenciál je oblasťou potenciálneho obývateľnosti, to znamená, že sú v nej splnené podmienky, ktoré sú nevyhnutné, ale nie dostatočné na formovanie života. Tu musíme hovoriť o životaschopnosti planéty, keď do hry vstupuje množstvo geofyzikálnych a biochemických javov a procesov, ako napríklad magnetické pole planéty, tektonika platní, trvanie planetárnych dní atď. Uvedené fenomény a procesy sa v súčasnosti aktívne študujú novým smerom astronomického výskumu - astrobiológie.
Vyhľadajte planéty v obývateľnej zóne
Astrofyzici jednoducho hľadajú planéty a potom určia, či sa nachádzajú v obývateľnej zóne. Z astronomických pozorovaní vidíte, kde sa táto planéta nachádza, kde je jej obežná dráha. Ak je v obývateľnej zóne, potom sa okamžite zvyšuje záujem o túto planétu. Ďalej musíte študovať túto planétu v ďalších aspektoch: atmosféra, chemická diverzita, prítomnosť vody a zdroj tepla. To nás už mierne privádza mimo hraníc pojmu „potenciál“. Hlavným problémom je však to, že všetky tieto hviezdy sú veľmi ďaleko.
Jedna vec je vidieť planétu blízko hviezdy ako je Slnko. Existuje niekoľko exoplanet podobných našej Zemi - takzvané pod- a super-Zeme, to znamená planéty s polomermi blízkymi alebo mierne presahujúcimi polomer Zeme. Astrofyzici ich študujú štúdiom atmosféry, nevidíme povrchy - iba v ojedinelých prípadoch tzv. Priame zobrazovanie, keď vidíme len veľmi vzdialený bod. Preto musíme študovať, či má táto planéta atmosféru, a ak áno, aké je jej zloženie, aké plyny sú tam atď.
Exoplanet (červená bodka vľavo) a hnedý trpaslík 2M1207b (stred). Prvý obrázok nasnímaný technológiou priameho zobrazovania v roku 2004
ESO / VLT
V širšom zmysle je hľadanie života mimo slnečnej sústavy a v slnečnej sústave hľadanie tzv. Biomarkerov. Biomarkery sa považujú za chemické zlúčeniny biologického pôvodu. Vieme, že napríklad hlavným biomarkerom na Zemi je prítomnosť kyslíka v atmosfére. Vieme, že na začiatku Zeme bolo veľmi málo kyslíka. Najjednoduchší primitívny život vznikol skoro, mnohobunkový život vznikol pomerne neskoro, nehovoriac o inteligentnom. Potom sa však vďaka fotosyntéze začal vytvárať kyslík a atmosféra sa zmenila. A to je jeden z možných biomarkerov. Teraz z iných teórií vieme, že existuje veľa planét s atmosférou kyslíka, ale tvorba molekulárneho kyslíka nie je spôsobená biologickými, ale bežnými fyzikálnymi procesmi,povedzme rozklad vodných pár pod vplyvom hviezdneho ultrafialového žiarenia. Preto všetky nadšenie, že hneď ako uvidíme molekulárny kyslík, bude to biomarker, nie je úplne opodstatnené.
Misia „Kepler“
Keplerov vesmírny ďalekohľad (CT) je jednou z najúspešnejších astronomických misií (samozrejme po Hubbleovom vesmírnom teleskopu). Jeho cieľom je nájsť planéty. Vďaka Kepler CT sme urobili kvantový skok v exoplanetovom výskume.
Keplerov CT bol zameraný na jeden spôsob objavovania - tzv. Tranzity, keď fotometer - jediný prístroj na palube satelitu - sledoval zmenu jasu hviezdy v okamihu, keď planéta prešla medzi ňou a ďalekohľadom. To poskytlo informácie o obežnej dráhe planéty, jej hmotnosti, teplotnom režime. To umožnilo v prvej časti tejto misie identifikovať približne 4500 potenciálnych kandidátov na planétu.
Vesmírny ďalekohľad „Kepler“
NASA
V astrofyzike, astronómii a pravdepodobne vo všetkých prírodných vedách je obvyklé potvrdzovať objavy. Fotometer zaznamenáva, že jas hviezdy sa mení, ale čo to môže znamenať? Možno má hviezda nejaké interné procesy vedúce k zmenám; planéty prechádzajú - stmavnú. Preto je potrebné skúmať frekvenciu zmien. Aby sme však s istotou povedali, že existujú planéty, je potrebné to nejakým spôsobom potvrdiť - napríklad zmenou radiálnej rýchlosti hviezdy. To znamená, že teraz existuje okolo 3600 planét - to sú planéty potvrdené niekoľkými metódami pozorovania. A existuje takmer 5 000 potenciálnych kandidátov.
Proxima Centauri
V auguste 2016 bolo doručené potvrdenie prítomnosti planéty s názvom Proxima b v blízkosti hviezdy Proxima Centauri. Prečo je to tak zaujímavé pre každého? Z veľmi jednoduchého dôvodu: je to najbližšia hviezda k Slnku vo vzdialenosti 4,2 svetelných rokov (tj svetlo pokrýva túto vzdialenosť za 4,2 roka). Toto je pre nás najbližší exoplanet a pravdepodobne najbližšie nebeské teleso k slnečnej sústave, na ktorom môže existovať život. Prvé merania sa uskutočnili v roku 2012, ale keďže táto hviezda je chladný červený trpaslík, musela sa vykonať veľmi dlhá séria meraní. A niekoľko vedeckých tímov z Európskeho južného observatória (ESO) pozorovalo hviezdu už niekoľko rokov. Vytvorili webovú stránku s názvom Bledá červená bodka (palereddot.org - ed.), Tj „bledú červenú bodku“a zverejnili tam pozorovania. Astronómovia prilákali rôznych pozorovateľov a výsledky pozorovaní bolo možné sledovať vo verejnej sfére. Takže bolo možné sledovať samotný proces objavovania tejto planéty takmer online. Názov pozorovacieho programu a webovej stránky siaha až k pojmu svetlá červená bodka, ktorý vytvoril renomovaný americký vedec Carl Sagan pre snímky planéty Zem prenášané kozmickou loďou z hlbín slnečnej sústavy. Keď sa pokúsime nájsť planétu ako Zem v iných hviezdnych systémoch, môžeme sa pokúsiť predstaviť si, ako naša planéta vyzerá z hlbín vesmíru. Tento projekt bol pomenovaný Bledo modrá bodka („bledo modrá bodka“), pretože z vesmíru je naša planéta viditeľná ako modrá bodka kvôli svetelnosti atmosféry.samotný proces objavovania tejto planéty bolo možné sledovať takmer online. Názov pozorovacieho programu a webovej stránky siaha až k pojmu svetlá červená bodka, ktorý vytvoril renomovaný americký vedec Carl Sagan pre snímky planéty Zem prenášané kozmickou loďou z hlbín slnečnej sústavy. Keď sa pokúsime nájsť planétu ako Zem v iných hviezdnych systémoch, môžeme sa pokúsiť predstaviť si, ako naša planéta vyzerá z hlbín vesmíru. Tento projekt bol pomenovaný Bledo modrá bodka („bledo modrá bodka“), pretože z vesmíru je naša planéta viditeľná ako modrá bodka kvôli svetelnosti atmosféry.samotný proces objavovania tejto planéty bolo možné sledovať takmer online. Názov pozorovacieho programu a webovej stránky siaha až k pojmu svetlá červená bodka, ktorý vytvoril renomovaný americký vedec Carl Sagan pre snímky planéty Zem prenášané kozmickou loďou z hlbín slnečnej sústavy. Keď sa pokúsime nájsť planétu ako Zem v iných hviezdnych systémoch, môžeme sa pokúsiť predstaviť si, ako naša planéta vyzerá z hlbín vesmíru. Tento projekt bol pomenovaný Bledo modrá bodka („bledo modrá bodka“), pretože z vesmíru je naša planéta viditeľná ako modrá bodka kvôli svetelnosti atmosféry.navrhol slávny americký vedec Carl Sagan pre obrazy planéty Zem, prenášané kozmickou loďou z hlbín slnečnej sústavy. Keď sa pokúsime nájsť planétu ako Zem v iných hviezdnych systémoch, môžeme sa pokúsiť predstaviť si, ako naša planéta vyzerá z hlbín vesmíru. Tento projekt bol pomenovaný Pale Blue Dot, pretože z vesmíru je naša planéta viditeľná ako modrá bodka kvôli svetelnosti atmosféry.navrhol slávny americký vedec Carl Sagan pre obrazy planéty Zem, prenášané kozmickou loďou z hlbín slnečnej sústavy. Keď sa pokúsime nájsť planétu ako Zem v iných hviezdnych systémoch, môžeme sa pokúsiť predstaviť si, ako naša planéta vyzerá z hlbín vesmíru. Tento projekt bol pomenovaný Pale Blue Dot, pretože z vesmíru je naša planéta viditeľná ako modrá bodka kvôli svetelnosti atmosféry.
Planéta Proxima b sa ocitla v obývateľnej zóne svojej hviezdy a relatívne blízko k Zemi. Ak sme my, planéta Zem, 1 astronomická jednotka od našej hviezdy, potom je táto nová planéta 0,05, tj 200-krát bližšia. Hviezda však slabne, je chladnejšia a už v takej vzdialenosti spadá do tzv. Prílivovej zóny. Keď Zem zachytila Mesiac a rotovala spolu, je tu rovnaká situácia. Zároveň je však jedna strana planéty zahrievaná a druhá studená.
Údajná krajina Proxima Centauri b, ako ju videl umelec
ESO / M. Kornmesser
Existujú také klimatické podmienky, systém vetra, ktorý vymieňa teplo medzi zahrievanou časťou a tmavou časťou, a na hraniciach týchto pologúľ môžu existovať celkom priaznivé podmienky pre život. Problémom planéty Proxima Centauri b je však to, že materská hviezda je červený trpaslík. Červení trpaslíci žijú dosť dlho, ale majú jednu špecifickú vlastnosť: sú veľmi aktívni. Existujú hviezdne erupcie, vyhadzovanie koronálnych hmôt atď. Doteraz bolo publikovaných pomerne veľa vedeckých článkov o tomto systéme, v ktorých sa napríklad uvádza, že na rozdiel od Zeme je úroveň ultrafialového žiarenia 20-30 krát vyššia. To znamená, že na dosiahnutie priaznivých podmienok na povrchu musí byť atmosféra dostatočne hustá na ochranu pred žiarením. Ale toto je jediný exoplanet, ktorý je nám najbližší,ktoré je možné podrobne študovať s ďalšou generáciou astronomických nástrojov. Sledujte jeho atmosféru, sledujte, čo sa tam deje, či existujú skleníkové plyny, aké je tam podnebie, či existujú biomarkery. Astrofyzici budú študovať planétu Proxima b, horúci objekt pre výskum.
Perspectives
Čakáme na spustenie niekoľkých nových pozemných a vesmírnych teleskopov, nových nástrojov. V Rusku to bude vesmírny teleskop Spektr-UF. Astronomický ústav Ruskej akadémie vied aktívne pracuje na tomto projekte. V roku 2018 bude uvedený na trh americký vesmírny teleskop. James Webb je ďalšou generáciou v porovnaní s CT im. Hubble. Jeho rozlíšenie bude omnoho vyššie a budeme schopní pozorovať zloženie atmosféry v tých exoplanetách, o ktorých vieme, že nejakým spôsobom vyriešia ich štruktúru, klimatický systém. Musíme však pochopiť, že sa jedná o bežný astronomický nástroj - samozrejme, bude existovať veľmi silná konkurencia, ako aj na CT. Hubbleov teleskop: niekto chce pozerať na galaxiu, niekto - hviezdy, niekto iný. Plánuje sa niekoľko špecializovaných misií na skúmanie exoplanet,napr. TESS agentúry NASA (Transiting Exoplanet Survey Satellite). V skutočnosti môžeme v nasledujúcich 10 rokoch očakávať výrazný pokrok v našich vedomostiach o exoplanetách všeobecne ao potenciálne obývateľných exoplanetách, ako je napríklad Zem.
Valery Shematovich, doktor fyziky a matematiky, vedúci oddelenia výskumu slnečnej sústavy, Astronomický ústav Ruskej akadémie vied