Некоторые планеты в системе TRAPPIST-1, изображенные в концепции этого художника, могут быть обитаемыми. Уточнение того, какие типы планет могут поддерживать жизнь, поможет астробиологам найти инопланетные формы жизни в будущем. НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех
Поскольку существует так много экзопланет, ученые работают над определением типов миров, которые, по их мнению, являются наиболее пригодными для жизни.
Всего 30 лет назад астрономы не могли с полной уверенностью сказать, что другие звезды сопровождаются планетами. Но благодаря астрономической революции мы теперь знаем в 535 раз больше планет за пределами нашей Солнечной системы, чем в ней. А общее количество планет в нашей галактике должно исчисляться сотнями миллиардов.
Но, несмотря на быстрый прогресс в исследованиях экзопланет, эта область все еще находится в зачаточном состоянии. Астрономы получили элементарное представление о населении планет в галактике, но у нас есть лишь слабые проблески того, на что на самом деле похоже большинство этих миров. И у нас есть прискорбно ограниченные знания о том, какие условия необходимы для того, чтобы было возможно возникновение и развитие жизни.
У нас пока только один известный пример обитаемого мира, и мы не знаем, какие характеристики Земли являются универсальными требованиями для жизни и могут ли различные планетные среды поддерживать биологию и поддерживать ее на высоком уровне сложности.
Сама Земля показывает, что микробы могут адаптироваться к ошеломляющему разнообразию окружающей среды, от кислых горячих источников до засушливых антарктических долин. Состояние поверхности и атмосфера нашей планеты претерпели серьезные изменения с момента возникновения жизни, но на протяжении 3,5 миллиардов лет жизни всегда удавалось выжить.
Постоянно меняющееся прошлое Земли напоминает астрономам, что мы видим экзопланеты на разных стадиях эволюции. Например, 2,5 миллиарда лет назад на Земле были только одноклеточные микробы, обитающие в океанах, а кислород был лишь следами атмосферного газа. Во время нескольких ледниковых периодов, лед покрывал поверхность нашей планеты вплоть до экватора. С момента появления сложных растений и животных пять массовых исчезновений почти уничтожили жизнь. Но Земля также пережила тепличные фазы, когда в полярных регионах были условия, близкие к тропическим, а общая биомасса планеты, возможно, превышала уровень, наблюдаемый сегодня.
Размышляя о том, на каких типах планет может быть жизнь, ученые сначала рассматривают их звезды. Звезды с большой массой живут быстро и умирают молодыми, сильно горят, но выгорают всего за несколько миллионов – несколько сотен миллионов лет. Вероятно, этого недостаточно для для появления жизни на орбитах планет.
Звезды с массой всего несколько солнечных или ниже производят меньше лучистой энергии и, следовательно, имеют меньшие обитаемые зоны, определяемые как область вокруг звезды, где планета может поддерживать температуры, способствующие размещению жидкой воды на ее поверхности. Но более продолжительная продолжительность жизни этих звезд дает их планетам миллиарды лет для того, чтобы любая примитивная жизнь превратилась в сложные формы. Солнце, например, дало земной жизни достаточно времени, и жизни нужно это время, чтобы полностью проявить свой потенциал. Многоклеточная жизнь возникла только после того, как Земля просуществовала около 3,5 миллиардов лет. А передовые растения и животные не возникли, пока Земле не исполнилось 4 миллиарда лет, после того как в атмосфере накопился кислород. Этот высокореактивный элемент обеспечивает необходимую энергию для более динамичного метаболизма.
Главный вопросительный знак сосредоточен вокруг звезд с наименьшей массой, красных карликов. Они составляют три четверти звезд нашей галактики и живут триллионы лет. Но их слабые выхлопы энергии обеспечивают небольшие обитаемые зоны, расположенные очень близко к звезде. Эта близость подвергает планеты бомбардировке мощными вспышкам, которые могут разрушить их атмосферы. Но красные карлики со временем успокаиваются, потенциально давая планетам время для регенерации газовой оболочки. Большинство планет в обитаемой зоне этих звезд заблокированы приливом: одна сторона всегда обращена к звезде, а другая – в постоянной ночи. Но плотная атмосфера с парниковым газом и сильные ветры могут сгладить разницу температур в полушарии, возникающую в результате приливной блокировки.
К тому же, концепция зоны обитаемости слишком упрощена. Традиционно считается, что обитаемая зона Солнца в настоящее время охватывает Землю и простирается примерно на расстояние до Марса. И на самом деле миссии НАСА предоставили неопровержимые доказательства того, что на Марсе когда-то были реки, озера и океаны с жидкой водой.
По теме: Древние реки на Марсе раскрыты в невероятных деталях
Наличие жидкой воды на поверхности планеты зависит как от температуры поверхности, так и от атмосферного давления. Например, сегодня на Марсе вода кипит, несмотря на низкие температуры из-за очень низкого атмосферного давления. Изначально у Марса была более плотная атмосфера, что позволяло иметь жидкую воду на его поверхности. Но Красная планета давно потеряла большую часть своей атмосферы, отчасти потому, что это планета малой массы. Если бы Марс имел большую массу, он мог бы удерживаться в своей атмосфере в течение гораздо более длительного периода времени, возможно, вплоть до настоящего времени.
Итак, представьте, что у Марса масса, в пять раз превышающая его фактическая, и плотная парниковая атмосфера, эффективно удерживающая солнечную энергию. При таких обстоятельствах наш воображаемый Марс, вероятно, мог бы сегодня поддерживать жидкую воду на своей поверхности.
Это поднимает интригующие вопросы о том, подходят ли планеты определенных размеров и масс для жизни. Рене Хеллер из Института исследований солнечной системы им. Макса Планка утверждает, что Земля не обязательно является наиболее пригодной для жизни планетой. В конце концов, большие участки поверхности Земли почти лишены жизни, например пустыни, полюса и океанические районы, бедные питательными веществами.
«Все без ума от самой похожей на Землю планету», – говорит Хеллер. «Но с более общей, более рефлексивной точки зрения на вопрос о жизни во Вселенной, я не вижу причин, по которым Земля должна быть оптимальным местом для формирования и развития жизни. Могут даже существовать планеты с более благоприятной средой для развития и разнообразия жизни».
Хеллер считает, что планеты немного более массивные, чем Земля, и до трех масс Земли могут быть «сверхобитаемыми», когда вся поверхность может поддерживать жизнь. По сравнению с Землей, эти миры будут иметь более сильную поверхностную гравитацию, большую общую площадь поверхности, более плотную атмосферу, более эрозионную погоду и более длительные магнитные поля и вулканизм. На таких планетах также могут быть полярные регионы с умеренным климатом. И их огромные запасы внутреннего тепла могут поддерживать тектонику плит в течение очень длительного периода времени. (На Земле тектоника плит была жизненно важна для круговорота углерода в атмосфере и из нее, регулируя температуру поверхности в течение миллиардов лет.)
Широко распространенная плодородная среда на супер-обитаемых суперземлях может ускорить эволюцию сложной жизни, что, возможно, сделает эти планеты наиболее многообещающими обиталищами технологических цивилизаций. Хеллер также считает, что K-звезды – оранжевые карлики, немного менее массивные и более холодные, чем наше Солнце G-типа, – предлагают лучшие перспективы для укрытия планет, несущих жизнь, из-за их долгой продолжительности жизни и стабильной выработки энергии.
Что такое K-звезды читайте в этой статье: Типы звезд – горячее, яркое путешествие по Вселенной
Но не все геологи согласны с тем, что на суперземлях может быть тектоника плит, и даже не ясно, необходима ли тектоника плит для сложной жизни.
И как отмечает Лиза Калтенеггер из Корнельского университета: «Все, что мы говорим о том, что другие планеты лучше или хуже с точки зрения обитаемости, – сложно, потому что мы еще не знаем, как зародилась жизнь на Земле. Предположим, что у нас есть идеальная планета для современной жизни, но условия для начала жизни никогда не были выполнены. Было бы идеально, но безжизненно».
Если Хеллер прав насчет суперземлей и К-звезд, астробиологи встретят эту новость, как дети в кондитерской. И суперземли, и K-звезды существуют в нашей галактике в огромном количестве. И, как отмечает Хеллер, сверхобитаемые миры должно быть намного легче обнаруживать и изучать с помощью современных инструментов, чем планеты земного типа. Например, астрономы могли бы обнаружить спектральные признаки обильной растительности.
Ученые выдвинули и другие факторы, которые могут повысить вероятность существования на планете жизни. Около круговые орбиты могут сыграть решающую роль в стабилизации температуры поверхности. Наличие большого спутника, такого как Луна, может быть важным гравитационным якорем для предотвращения хаотического колебания наклона оси планеты в течение миллионов лет и причинения экстремальных климатических изменений. Столкновение, которое сформировало нашу Луну, выбросило большую часть первоначальной коры Земли в космос, где она срослась с Луной, а не образовала толстую «застойную крышку», которая могла бы погасить тектонику плит. А для сложной жизни, вероятно, требуется планетная система, конфигурация которой не вызывает частых гигантских ударов.
Если жизни требуется жидкая вода, запасы этого драгоценного растворителя на планете могут стать решающим фактором в том, какую биологию она может поддерживать. Планета, наделенная слишком большим количеством воды, может покрыть всю свою поверхность океанами глубиной в десятки или сотни километров. Жизнь могла бы процветать в водном мире, но трудно представить, как могла возникнуть технологическая цивилизация. Если планета слишком сухая, она может поддерживать только отдельные очаги жизни, которые точно так же никогда не смогут превратиться в более в сложные организмы. Другими словами, вполне возможно, что Земля – это редкий рай для зоны Златовласки(зона обитания), где кометы и астероиды доставляют только нужное количество воды, оставляя только нужное количество земли.
По словам геофизика из Чикагского университета Стефани Олсон, циркуляция океана также имеет первостепенное значение. На Земле восходящие водные течения играют решающую роль в переносе питательных веществ с больших глубин океана на поверхность. Там фотосинтезирующие формы жизни используют лучистую энергию Солнца для преобразования питательных веществ в газ.
«Если вы посмотрите на жизнь в наших океанах, она в подавляющем большинстве сконцентрирована в регионах, где есть апвеллинг», – говорит Олсон.
Ее исследования показывают, что медленное вращение, высокое атмосферное давление, большой наклон оси и соленый океан усиливают апвеллинг, что, в свою очередь, увеличивает изобилие фотосинтетической жизни. Такая жизнь закачивает в атмосферу большое количество кислорода, метана и, возможно, других газов, производя биосигнатуры, которые астрономам будет легче обнаружить за много световых лет.
«Недостаточно иметь океан, изобилующий жизнью», чтобы обнаружить эту жизнь, – говорит Олсон. «Эта жизнь также должна иметь хорошие возможности, чтобы оказывать влияние на состав атмосферы и другие наблюдаемые особенности своей планеты-хозяина».
И Хеллер приводит еще одну диковинку: луны.
«Большая часть жидкой воды в Солнечной системе существует на лунах, а не на планетах», – говорит он. «Мы даже не начали находить внесолнечные луны, но большая часть пригодной для жилья недвижимости в галактике или даже во Вселенной может быть расположена на лунах, а не на планетах».
Большая часть этого обсуждения предполагала, что жизнь повсюду разделяет определенные характеристики с земной жизнью. Но если возможны альтернативные формы жизни, такие как жизнь, не зависящая от углерода, жидкой воды или клеток, все ставки проиграны. Окружающая среда, которая в настоящее время считается негостеприимной для «жизни, какой мы ее знаем», может процветать с существами, которые кажутся нам совершенно странными, так же как мы могли бы казаться им странными.
Есть и другое мнение: “Астробиологи: инопланетяне могут походить на нас из-за естественного отбора“
В конце концов, мы не знаем, кто или что находится там, или какие типы миров предлагают наилучшие перспективы для происхождения и развития жизни. Никто не может предсказать, сколько времени потребуется, чтобы найти внеземную жизнь, потому что мы не знаем, насколько это будет сложно. Теоретические предположения об инопланетной среде, планетах и возможных формах жизни по-прежнему полезны, потому что они дают астрономам подсказки о том, что искать. Но по своей сути астробиология – экспериментальная наука, и мы сможем разрешить великие вопросы о жизни во Вселенной, только наблюдая и исследуя.
Читайте также:
Люди часто отдают предпочтение своей собственной группе — это явление известно как внутригрупповая (или ингрупповая)… Читать далее
Исследователи из Института нейронаук Макса Планка во Флориде обнаружили новый путь формирования долгосрочных воспоминаний, который… Читать далее
Многие из вас слышали о текущем кризисе воспроизводимости, или кризисе репликации исследований в науке, в… Читать далее
Человеческий разум традиционно изучается через взаимодействие с себе подобными. Но как его формировали нечеловеческие агенты,… Читать далее
Новое исследование показало, что употребление алкоголя является наиболее распространенным предиктором вейпинга каннабиса среди молодых людей.… Читать далее
Недавние исследование проливает свет на роль метаболизма мозга в суицидальном поведении, фокусируясь на области под… Читать далее