Kuidas nad otsivad asustatavasse tsooni planeete, millised tingimused on elu moodustamiseks vajalikud ja mis on huvitav eksoplaneedi Proxima b avastamise kohta
Asustatav tsoon, mida inglise keeles nimetatakse elatavaks tsooniks, on kosmoses asuv piirkond, kus maismaa tüüpi elutingimused on kõige soodsamad. Mõiste elupaik tähendab, et peaaegu kõik elu tingimused on täidetud, me lihtsalt ei näe seda. Elukõlblikkuse määravad järgmised tegurid: vee olemasolu vedelal kujul, piisavalt tihe atmosfäär, keemiline mitmekesisus (H, C, N, O, S ja P alusel põhinevad lihtsad ja keerulised molekulid) ning tähe olemasolu, mis toob vajaliku energiakoguse.
Õppe ajalugu: maapealsed planeedid
Astrofüüsika seisukohast oli asustatava tsooni kontseptsiooni tekkimiseks mitmeid stiimuleid. Mõelge meie päikesesüsteemile ja neljale maapealsele planeedile: Merkuurile, Veenusele, Maale ja Marsile. Merkuuril puudub atmosfäär ja ta on liiga lähedal Päikesele, seetõttu pole see meile eriti huvitav. See on planeet, millel on kurb saatus, sest isegi kui tal oleks atmosfäär, kannaks selle ära päikesetuul, see tähendab tähe koroonast pidevalt voolav plasmavool.
Mõelge ülejäänud päikesesüsteemi maapealsetele planeetidele - need on Veenus, Maa ja Marss. Need tekkisid praktiliselt samas kohas ja samadel tingimustel ~ 4,5 miljardit aastat tagasi. Ja seetõttu peaks astrofüüsika seisukohast nende areng olema üsna sarnane. Nüüd, kosmoseajastu alguses, kui oleme nende planeetide uurimisel kosmoselaevade abil edasi liikunud, näitasid saadud tulemused nendel planeetidel äärmiselt erinevaid tingimusi. Nüüd teame, et Veenusel on väga kõrge rõhk ja selle pind on väga kuum, temperatuuril 460–480 ° C - temperatuuridel, mille jooksul paljud ained isegi sulavad. Ja pinna esimestest panoraamvõtetest nägime, et see on täiesti elutu ja praktiliselt pole eluga kohandatud. Kogu pind on üks mandriosa.
Maapealsed planeedid - elavhõbe, Veenus, Maa, Marss
Reklaamvideo:
commons.wikimedia.org
Teisest küljest - Marss. See on külm maailm. Marss on kaotanud oma atmosfääri. See on jällegi kõrbepind, ehkki seal on mägesid ja vulkaane. Süsinikdioksiidi atmosfäär on väga õhuke; kui vesi oli seal, siis oli see kõik külmunud. Marsil on polaarkork ning hiljutised Marsile tehtud missiooni tulemused viitavad sellele, et jää eksisteerib liivakatte - regoliidi - all.
Ja Maa. Väga soodne temperatuur, vesi ei külmuta (vähemalt mitte igal pool). Ja just Maa peal tekkis elu - nii ürgne kui ka mitmerakuline, arukas elu. Näib, et näeme Päikesesüsteemi väikest osa, milles moodustusid kolm planeeti, mida nimetatakse maapealseteks planeetideks, kuid nende evolutsioon on täiesti erinev. Ja nende esimeste ideede kohta planeetide endi võimalike evolutsiooniteede kohta tekkis mõte asustatavast tsoonist.
Asustusvööndi piirid
Astrofüüsikud jälgivad ja uurivad ümbritsevat maailma, meid ümbritsevat kosmoset, see tähendab meie päikesesüsteemi ja teiste tähtede planeedisüsteeme. Ja selleks, et kuidagi süstematiseerida, kust otsida, milliseid objekte huvitada, peate mõistma, kuidas asustatavat tsooni määrata. Oleme alati uskunud, et teistel tähtedel peaksid olema planeedid, kuid instrumentaalne jõud võimaldas meil kõigest 20 aastat tagasi avastada esimesed eksoplaneedid - väljaspool Päikesesüsteemi asuvad planeedid.
Kuidas määratakse asustatava tsooni sise- ja välispiir? Arvatakse, et meie päikesesüsteemis asub asustatav tsoon Päikesest 0,95–1,37 astronoomilise ühiku kaugusel. Me teame, et Maa on Päikesest 1 astronoomilise ühiku (AU) kaugusel, Veenus on 0,7 AU. e., Mars - 1,5 a. e) Kui me teame tähe heledust, on elamiskõlbliku tsooni keskpunkti väga lihtne arvutada - peate lihtsalt võtma selle tähe heleduse suhte ruutjuure ja viitama Päikese heledusele, see tähendab:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Rae on siin astronoomiliste ühikute asustatava tsooni keskmine raadius ning Lstar ja Lsun on vastavalt otsitava tähe ja Päikese bolomeetriline heledus. Asustatava tsooni piirid kehtestatakse vedelvee olemasolu nõude järgi selles asuvatel planeetidel, kuna see on vajalik lahusti paljudes biomehaanilistes reaktsioonides. Väljaspool asustatava tsooni välispiiri ei saa planeet kiirguskao kompenseerimiseks piisavalt päikesekiirgust ning selle temperatuur langeb alla vee külmumispunkti. Tähele lähemal asustatava tsooni sisepiirist asuv planeet kuumeneb selle kiirguse tõttu ülemääraselt, mille tagajärjel vesi aurustub.
Rangemini määravad sisepiiri nii planeedi kaugus tähest kui ka selle atmosfääri koostis ning eriti niinimetatud kasvuhoonegaaside olemasolu: veeaur, süsinikdioksiid, metaan, ammoniaak ja teised. Nagu teate, põhjustavad kasvuhoonegaasid atmosfääri kuumutamist, mis katastroofiliselt kasvava kasvuhooneefekti korral (näiteks varajane Veenus) põhjustab vee aurustumist planeedi pinnalt ja atmosfääri kadu.
Välispiir on juba teema teine külg. See võib olla palju kaugemal, kui Päikesest on vähe energiat ja kasvuhoonegaaside esinemine Marsi atmosfääris on kasvuhooneefekti jaoks ebapiisav, et tekitada mahe kliima. Niipea kui energiakogus muutub ebapiisavaks, kondenseeruvad atmosfäärist pärit kasvuhoonegaasid (veeaur, metaan jne), kukuvad nagu vihm või lumi jne. Ja tegelikud kasvuhoonegaasid on kogunenud Marsi polaarjoone alla.
Meie Päikesesüsteemist väljaspool asuvate tähtede asustatava tsooni kohta on väga oluline öelda üks sõna: potentsiaal on potentsiaalse elamiskõlblikkuse tsoon, see tähendab, et selles on täidetud tingimused, mis on vajalikud, kuid mitte piisavad elu kujunemiseks. Siinkohal tuleb rääkida planeedi elujõulisusest, kui mängu tulevad mitmed geofüüsikalised ja biokeemilised nähtused ja protsessid, näiteks planeedi magnetväli, plaatide tektoonika, planeedipäevade kestus jne. Loetletud nähtusi ja protsesse uuritakse nüüd aktiivselt astronoomiliste uuringute uues suunas - astrobioloogias.
Otsige asustatavas tsoonis olevaid planeete
Astrofüüsikud otsivad lihtsalt planeete ja määravad siis kindlaks, kas nad asuvad asustatavas tsoonis. Astronoomiliste vaatluste põhjal näete, kus see planeet asub, kus on tema orbiit. Kui asustatavas tsoonis, kasvab kohe huvi selle planeedi vastu. Järgmisena peate seda planeeti uurima muude aspektide osas: atmosfäär, keemiline mitmekesisus, vee olemasolu ja soojusallikas. See viib meid juba pisut mõiste "potentsiaal" sulgudes välja. Kuid peamine probleem on see, et kõik need tähed on väga kaugel.
Üks asi on näha planeeti, mis asub sellise tähe lähedal nagu Päike. On mitmeid meie Maaga sarnaseid eksoplaneete - nn sub- ja supermaad, see tähendab planeete, mille raadius on Maa raadiusega lähedane või pisut üle selle. Astrofüüsikud uurivad neid, uurides atmosfääri, me ei näe pindu - ainult üksikjuhtudel, niinimetatud otsene pildistamine, kui näeme ainult väga kauget punkti. Seetõttu peame uurima, kas sellel planeedil on atmosfäär ja kui jah, siis milline on selle koostis, millised gaasid seal on jne.
Exoplaneet (vasakul punane punkt) ja pruun kääbus 2M1207b (keskel). Esimene pilt, mis tehti otsekujutustehnoloogia abil 2004. aastal
ESO / VLT
Laias tähenduses on elu otsimine väljaspool päikesesüsteemi ja päikesesüsteemis nn biomarkerite otsimine. Arvatakse, et biomarkerid on bioloogilise päritoluga keemilised ühendid. Me teame, et peamine biomarker Maal on näiteks hapniku olemasolu atmosfääris. Me teame, et varajases Maal oli hapnikku väga vähe. Lihtsaim, ürgne elu tekkis varakult, mitmerakuline elu tekkis üsna hilja, intelligentsest rääkimata. Kuid siis hakkas fotosünteesi tõttu moodustuma hapnik, atmosfäär muutus. Ja see on üks võimalikest biomarkeritest. Nüüd teame teistest teooriatest, et on olemas palju hapniku atmosfääriga planeete, kuid molekulaarse hapniku moodustumist põhjustavad seal mitte bioloogilised, vaid tavalised füüsikalised protsessid,oletame, et veeauru lagunemine tähe ultraviolettkiirguse mõjul. Seetõttu pole kogu entusiasm, et niipea, kui näeme molekulaarset hapnikku, sellest biomarkeriks, täiesti õigustatud.
Missioon "Kepler"
Kepleri kosmoseteleskoop (CT) on üks edukamaid astronoomilisi ülesandeid (muidugi pärast Hubble'i kosmoseteleskoopi). Selle eesmärk on leida planeete. Tänu Kepleri CT-le oleme teinud eksoplaneetide uurimisel kvanthüppe.
Kepleri CT keskendus ühele avastusviisile - nn transiitidele, kui fotomeeter - satelliidi ainus instrument - jälgis tähe heleduse muutust hetkel, kui planeet selle ja teleskoobi vahel liikus. See andis teavet planeedi orbiidi, selle massi ja temperatuurirežiimi kohta. Ja see võimaldas selle missiooni esimese osa jooksul tuvastada umbes 4500 potentsiaalset planeedikandidaati.
Kosmoseteleskoop "Kepler"
NASA
Astrofüüsikas, astronoomias ja ilmselt ka kogu loodusõpetuses on tavaks avastusi kinnitada. Fotomeeter registreerib, et tähe heledus muutub, kuid mida see võib tähendada? Võib-olla on tähel mingid muutused põhjustavad sisemised protsessid; planeedid mööduvad - see on pimendatud. Seetõttu on vaja vaadata muutuste sagedust. Kuid selleks, et kindlalt öelda, et seal on planeedid, on vaja seda mingil viisil kinnitada - näiteks tähe radiaalse kiiruse muutmisega. See tähendab, et praegu on umbes 3600 planeeti - need on planeedid, mida kinnitavad mitmed vaatlusmeetodid. Ja potentsiaalseid kandidaate on peaaegu 5000.
Proxima Centauri
2016. aasta augustis saadi kinnitus Proxima b nime kandva planeedi esinemise kohta tähe Proxima Centauri lähedal. Miks see kõigile nii huvitav on? Väga lihtsal põhjusel: see on meie Päikesele lähim täht 4,2 valgusaasta kaugusel (see tähendab, et valgus katab seda kaugust 4,2 aasta pärast). See on meile lähim eksoplaneet ja võib-olla ka Päikesesüsteemile kõige lähemal asuv taevakeha, millel võib eksisteerida elu. Esimesed mõõtmised tehti 2012. aastal, kuid kuna see täht on lahe punane kääbus, tuli teha väga pikk mõõtmistesari. Ja mitmed Euroopa lõunaobservatooriumi (ESO) teadusrühmad on tähte juba mitu aastat jälginud. Nad tegid veebisaidi nimega Pale Red Dot (palereddot.org - toim.) Ehk siis kahvatupunane punkt ja postitasid sinna oma tähelepanekud. Astronoomid meelitasid kohale erinevaid vaatlejaid ning avalikes ruumides oli võimalik jälgida vaatluste tulemusi. Niisiis, selle planeedi avastamise protsessi oli võimalik peaaegu veebis jälgida. Vaatlusprogrammi ja veebisaidi nimi ulatub tagasi terminisse Pale Red Dot, mille lõi mainekas Ameerika teadlane Carl Sagan piltide kohta planeedilt Maa, mida kosmosesõidukid päikesesüsteemi sügavustest edastavad. Kui proovime teistes tähesüsteemides leida Maa-sugust planeeti, võime proovida ette kujutada, kuidas meie planeet kosmosesügavusest välja näeb. Selle projekti nimi oli kahvatu sinine punkt ('kahvatusinine punkt'), kuna kosmosest on atmosfääri heleduse tõttu meie planeet nähtav sinise punktina.selle planeedi avastamise protsessi oli võimalik jälgida peaaegu veebis. Vaatlusprogrammi ja veebisaidi nimi ulatub tagasi terminisse Pale Red Dot, mille lõi mainekas Ameerika teadlane Carl Sagan piltide kohta planeedilt Maa, mida kosmoseaparaadid edastasid Päikesesüsteemi sügavustest. Kui proovime teistes tähesüsteemides leida Maa-sugust planeeti, võime proovida ette kujutada, kuidas meie planeet kosmosesügavusest välja näeb. Selle projekti nimi oli kahvatu sinine punkt ('kahvatusinine punkt'), sest kosmosest on atmosfääri heleduse tõttu meie planeet nähtav sinise punktina.selle planeedi avastamise protsessi oli võimalik jälgida peaaegu veebis. Vaatlusprogrammi ja veebisaidi nimi ulatub tagasi terminisse Pale Red Dot, mille lõi mainekas Ameerika teadlane Carl Sagan piltide kohta planeedilt Maa, mida kosmoseaparaadid edastasid Päikesesüsteemi sügavustest. Kui proovime teistes tähesüsteemides leida Maa-sugust planeeti, võime proovida ette kujutada, kuidas meie planeet kosmosesügavusest välja näeb. Selle projekti nimi oli kahvatu sinine punkt, sest kosmosest on atmosfääri heleduse tõttu meie planeet nähtav sinise punktina.pakkus kuulus Ameerika teadlane Carl Sagan välja pilte planeedist Maa, mida kosmosesõidukid edastavad Päikesesüsteemi sügavustest. Kui proovime teistes tähesüsteemides leida Maa-sugust planeeti, võime proovida ette kujutada, kuidas meie planeet kosmosesügavusest välja näeb. Selle projekti nimi oli kahvatu sinine punkt ('kahvatusinine punkt'), sest kosmosest on atmosfääri heleduse tõttu meie planeet nähtav sinise punktina.pakkus kuulus Ameerika teadlane Carl Sagan välja pilte planeedist Maa, mida kosmosesõidukid edastavad Päikesesüsteemi sügavustest. Kui proovime teistes tähesüsteemides leida Maa-sugust planeeti, võime proovida ette kujutada, kuidas meie planeet kosmosesügavusest välja näeb. Selle projekti nimi oli kahvatu sinine punkt ('kahvatusinine punkt'), sest kosmosest on atmosfääri heleduse tõttu meie planeet nähtav sinise punktina.
Planeet Proxima b asus oma tähe elamiskõlblikus tsoonis ja Maa lähedal. Kui meie, planeet Maa, oleme oma tähest 1 astronoomilise ühiku kaugusel, siis on see uus planeet 0,05, see tähendab 200 korda lähemal. Kuid täht paistab õhem, see on külmem ja juba sellistel kaugustel langeb see loodete hõivamise nn tsooni. Kuna Maa hõivas Kuu ja nad pöörlevad koos, on siin sama olukord. Kuid samal ajal on planeedi üks külg soojenenud ja teine on külm.
Proxima Centauri b väidetav maastik kunstniku poolt vaadatuna
ESO / M. Kornmesser
Seal on sellised kliimatingimused, tuulte süsteem, mis vahetab kuumust kuumutatud osa ja pimeda osa vahel ning nende poolkerade piiridel võivad olla eluks üsna soodsad tingimused. Kuid planeedi Proxima Centauri b probleem on see, et vanemtäht on punane kääbus. Punased kääbused elavad üsna pikka aega, kuid neil on üks konkreetne omadus: nad on väga aktiivsed. Seal on tähevalgust, koronaalmassi väljutamist jne. Selle süsteemi kohta on juba avaldatud üsna palju teadusartikleid, kus näiteks öeldakse, et erinevalt Maast on ultraviolettkiirguse tase seal 20-30 korda kõrgem. See tähendab, et pinnal on soodsad tingimused, peab atmosfäär olema piisavalt tihe, et kaitsta kiirguse eest. Kuid see on ainus meile kõige lähedasem eksoplaneet,mida saab üksikasjalikult uurida järgmise põlvkonna astronoomiliste instrumentide abil. Vaadake selle atmosfääri, vaadake, mis seal toimub, kas seal on kasvuhoonegaase, milline on sealne kliima, kas seal on biomarkereid. Astrofüüsikud uurivad planeeti Proxima b, mis on kuum uurimisobjekt.
Perspektiivid
Ootame mitmete uute maapealsete ja kosmoseteleskoopide, uute instrumentide turule toomist. Venemaal on see Spektr-UF kosmoseteleskoop. Selle projekti kallal töötab aktiivselt Venemaa Teaduste Akadeemia astronoomia instituut. 2018. aastal lastakse turule Ameerika kosmoseteleskoop. James Webb on CT imiga võrreldes järgmine põlvkond. Hubble. Selle eraldusvõime on palju suurem ja me saame jälgida atmosfääri koostist nendel eksoplaneetidelt, millest me teame, kuidagi lahendada nende struktuuri, kliimasüsteemi. Kuid me peame mõistma, et see on tavaline astronoomiline instrument - loomulikult on väga tugev konkurents, nagu ka CT-s. Hubble: keegi soovib galaktikat vaadata, keegi - tähti, keegi teine midagi. Plaanis on mitu erimissiooni eksoplaneetide uurimiseks,nt NASA TESS (Exit Planet Survey Satellite). Tegelikult võime järgmise 10 aasta jooksul oodata märkimisväärset edasiminekut oma teadmistes eksoplaneetide kohta üldiselt ja eriti selliste potentsiaalselt asustatavate eksoplaneetide kohta nagu Maa.
Valeri Shematovitš, füüsika- ja matemaatikadoktor, Venemaa Teaduste Akadeemia astronoomia instituudi päikesesüsteemi uuringute osakonna juhataja
