03.12.2016
Экзопланеты

Экзопланеты: судьба обитаемых планет

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

В продолжении статьи "Экзопланеты: в поисках новой Земли" можно отметить, что за время существования человечества зона жизни звезды остается неизменной. Но звезды светят на протяжении миллиардов лет, и с течением времени эта зона отдаляется от них, оставляя обитаемые миры за пределами своей внутренней границы. Сегодня Земля находится вблизи внутреннего края зоны жизни Солнца, и примерно через 1,75 млрд лет на нашей планете станет слишком жарко, чтобы вода могла находиться в жидком состоянии. Маленькие звезды светят тусклее и дольше, чем Солнце, их зоны жизни отдаляются от светила в течение десятков миллиардов лет, что потенциально продлевает время существования жизни на их планетах.

Пока с достоверностью не обнаружено ни одного экзоспутника — ни обитаемого, ни безжизненного, но рано или поздно это случится. Свидетельство тому — архивные данные, полученные с помощью обсерваторий, например принадлежащего NASA космического телескопа «Кеплер». Сегодня о существовании таких объектов и наличии жизни на них можно говорить лишь гипотетически.

С другой стороны, не исключено, что сверхпригодные для жизни планеты уже находятся в нашем каталоге экзопланет и космических тел, претендующих на этот статус. Все первые экзопланеты, открытые в середине 1990-х гг., оказались газовыми гигантами, сравнимыми по массе с Юпитером, которые обращаются слишком близко к своим звездам, чтобы на них могла зародиться жизнь. Но по мере совершенствования техники поиска стали обнаруживаться существенно меньшие планеты, которые движутся по удаленным и более подходящим для жизни орбитам. Большинство планет, открытых в последние несколько лет, так называемые сверхземли, до десяти раз превышают нашу планету по массе, их диаметры варьируют от диаметра Земли до диаметра Нептуна. С виду они практически ничем не отличаются от тех, что обращаются вокруг других звезд, однако вокруг Солнца не движется ни одной, похожей на них, что делает Солнечную систему уникальной.

Вероятно, многие из самых крупных и массивных сверхземель окутаны толстой плотной атмосферой, отчего они похожи скорее на мини-Юпитеры, чем на огромного размера Землю. Но некоторые самые маленькие из этих миров вдвое больше Земли и, по-видимому, имеют такой же состав, как Земля, т.е. они железокаменные. А если они движутся вокруг своих звезд в пределах зоны жизни, то на их поверхности в изобилии присутствует вода в жидком состоянии. Теперь мы знаем, что некоторое число потенциально твердых сверхземель обращается вокруг так называемых М-карликов и К-карликов— звезд, меньших по размерам, не таких ярких и гораздо более старых, чем наше Солнце. Как показали результаты моделирования, выполненного недавно мною совместно с коллегой Джоном Армстронгом (John Armstrong), физиком из Университета Вебера, отчасти но причине большой продолжительности жизни их крохотных звезд эти огромные земли представляются наиболее вероятными кандидатами на роль сверхпригодных для жизни миров.

Преимущества долголетия

Моя работа началась с осознания того, что долгоживущая звезда-хозяин — это основополагающий элемент условий для жизни; в конце концов, маловероятно, что биосфера планеты переживет гибель звезды. Нашему Солнцу 4,6 млрд

лет, и оно находится примерно в середине своего жизненного пути. Если бы Солнце было немного меньше по размеру, оно представляло бы собой гораздо более долгоживущий К-карлик. Такие карлики обладают меньшим суммарным запасом ядерного топлива, чем более массивные звезды, но они используют его более экономно, что продлевает их жизнь. К-карлики среднего возраста, которых мы наблюдаем сегодня, на миллиарды лет старше Солнца и будут продолжать светить еще миллиарды лет после того, как наша звезда погаснет. Таким образом, у любой биосферы их потенциальных планет гораздо больше времени для эволюции и достижения биоразнообразия.

Свет К-карлика кажется более красным, чем исходящий от Солнца, потому что максимум эффективности в его спектре сдвинут в сторону инфракрасного диапазона, однако это не должно препятствовать фотосинтезу. М-карлики меньше по размеру, они более экономно расходуют водородное топливо и могут стабильно светить еще сотни миллиардов лет, но этот свет так слаб, что их зоны жизни располагаются очень близко к звезде, поэтому движущиеся вокруг них планеты подвержены воздействию звездных вспышек и других опасных явлений. Отличаясь большей длительностью эволюции, чем наше Солнце, но не такие тусклые, как М-карлики, К-карлики, возможно, наиболее благоприятны для возникновения и процветания рядом с ними жизни.

Сегодня некоторые из этих звезд-долгожителей могут оказаться гаванью для твердых планет типа «сверхземля», которые на несколько миллиардов лет старше Солнечной системы. Возможно, жизнь зародилась в этих планетных системах задолго до появления нашего Солнца, процветая и развиваясь в течение миллиардов лет до того, как в первобытном океане юной Земли, похожем на горячий бульон, появилась первая органическая молекула. Что меня особенно вдохновляет, так это потенциальная способность биосферы древних миров видоизменять окружающую среду таким образом, что это приводит к дальнейшему улучшению условий для жизни, как это было с Землей. Особенно показательным примером тому служит произошедшая в самом начале протерозоя, около 2,4 млрд лет назад, кислородная революция, результатом которой стало появление в атмосфере Земли значительного количества свободного кислорода. Возможно, кислород начали вырабатывать океанические водоросли, что со временем привело к развитию более энергоемкого метаболизма, позволившего живым существам обзавестись более крупными, прочными и подвижными телами. Это достижение стало решающим шагом к выходу жизни из океана на сушу и постепенному распространению ее по всем континентам. Если инопланетные биосферы прошли подобный путь, мы вправе ожидать, что на планетах, обращающихся вокруг звезд-долгожителей, с возрастом жизнь стала немного более разнообразной.

Для сохранения сверхпригодности для жизни планетам, обращающимся вокруг звезд-долгожителей, необходимо обладать большей, чем у Земли, массой. Это должно предотвратить две катастрофы, с наибольшей вероятностью поджидающие каменные планеты на пути к старости. Если бы наша Земля располагалась в зоне жизни маленького К-карлика, ее внутренняя часть остыла бы задолго до смерти звезды, что исключило бы существование жизни. Под действием внутреннего тепла планеты извергаются вулканы и движутся тектонические плиты; благодаря этому происходит пополнение атмосферы диоксидом углерода — газом, вызывающим парниковый эффект. При отсутствии этих факторов содержание в атмосфере С02 неуклонно снижалось бы по мере того, как дожди вымывают этот газ из воздуха и он фиксируется в горных породах. В конце концов С02-зависимый парниковый эффект исчерпал бы себя и повысилась вероятность превращения планеты подобной Земле в необитаемый «снежный ком», где вся вода на поверхности находится в твердом состоянии.

Помимо резкого ослабления парникового эффекта охлаждение внутренних слоев стареющих горных пород может привести к исчезновению защищающего планету магнитного поля. Последнее образуется в результате вращения и конвекции вещества, составляющего раскаленное жидкое металлическое ядро, играющее роль ротора динамо-машины. Ядро находится в жидком состоянии благодаря теплу, сохранившемуся еще с эпохи формирования планеты и пополняемому распадом радиоактивных элементов. Как только запас внутреннего тепла твердой планеты иссякнет, ее ядро затвердеет, динамо-машина остановится, магнитный щит рухнет и космическая радиация и звездные вспышки начнут разрушать верхние слои атмосферы, обнажая поверхность планеты. Скорее всего, значительная часть атмосферы старых похожих на Землю планет уже рассеялась в космическом пространстве, и высокоэнергетическое излучение уничтожило все живое, что было на планете.

Твердые сверхземли, более чем вдвое превышающие по размеру нашу планету, стареют медленнее, чем Земля, поскольку сохраняют внутреннее тепло намного дольше. Однако планеты от трех до пяти раз массивнее Земли могут оказаться слишком большими, чтобы на них была возможна тектоника плит, поскольку давление и вязкость (внутреннее трение) в их мантии настолько велики, что они препятствуют образованию необходимых направленных от центра к периферии конвективных тепловых потоков. На твердых планетах, лишь вдвое более массивных, чем Земля, стабильная тектоника плит, геологические циклы и магнитное поле должны сохраняться на несколько миллиардов лет дольше, чем это произойдет на Земле. Диаметр таких планет, вероятно, будет примерно на 25% больше земного, так что в распоряжении живых организмов окажется примерно на 56% больше территории. чем в мире, где живем мы.

Жизнь на сверхпригодных сверхземлях

Что может представлять собой сверхпригодная для жизни планета? Благодаря большей гравитации у сверхземли среднего размера должна быть немного более плотная атмосфера, чем у Земли, горы на ней будут формироваться и разрушаться быстрее. Другими словами, на такой планете воздух должен быть относительно более плотным, а рельеф плоским. Если там есть океаны, то благодаря плоскому ландшафту вода объединит многочисленные мелкие моря в несколько бассейнов, усеянных цепочками островов, в отличие от Земли, где глубоководные акватории разделены несколькими огромными континентами. Мы знаем, что биологическое разнообразие в земных океанах наиболее высоко в прибрежном мелководье, поэтому и «островной мир» может оказаться значительно благоприятнее для жизни. Эволюция изолированных островных экосистем может происходить гораздо быстрее, и это тоже должно способствовало большему биоразнообразию.

Конечно, отсутствие крупных континентов в островном мире означает, что в распоряжении сухопутных форм жизни оказывается меньше суши, чем в мире континентальном, что может отрицательно сказаться на обитаемости в целом. Но это необязательно, особенно если учесть, что центральные области континентов вполне могут представлять собой бесплодные пустыни, поскольку они удалены от океанов и до них не доходит влажный морской воздух. Более того, условия на обитаемых частях поверхности планеты существенно зависят от угла наклона ее оси относительно перпендикуляра к плоскости ее орбиты. Например, у Земли этот угол составляет примерно 23,40°, что обусловливает смену времен года и сглаживание разности температур между жаркими экваториальными и холодными полярными областями. По сравнению с Землей островной мир с благоприятным взаимным расположением оси вращения и плоскостью орбиты планеты отличался бы теплым экваториальным поясом, а также относительно теплыми, свободными ото льда полярными областями и благодаря более крупным размерам и большей общей площади поверхности мог бы выгодно отличаться в смысле суммарной площади пригодной для жизни суши от мира с огромными континентами.

Все эти соображения наводят на мысль, что сверхпригодные для жизни планеты скорее всего немного крупнее Земли, а их звезды несколько меньше и тусклее, чем Солнце. Если все сказанное верно, то это настоящая сенсация для астрономов, поскольку в межзвездном пространстве гораздо проще обнаружить и исследовать сверхземли, обращающиеся вокруг небольших звезд, чем двойников нашей системы «Земля — Солнце». Имеющиеся на сегодня статистические данные свидетельствуют о том, что на просторах нашей Галактики сверхземли, обращающиеся вокруг малых звезд, встречаются гораздо чаще, чем аналоги системы «Земля — Солнце». Похоже, теперь у астрономов появилось намного больше привлекательных мест для поисков жизни, чем это было ранее.

Здесь стоит вспомнить об обнаружении с помощью космического телескопа «Кеплер» экзопланеты Kepler-186f (о ее открытии было объявлено 17 апреля 2014 г.). Эта предположительно каменная планета диаметром на 11% больше земного обращается вокруг М-карлика, находясь в пределах зоны жизни. Вероятно, ей уже несколько миллиардов лет, и, возможно, она даже старше Земли. Kepler-186f находится от нас на расстоянии около 500 световых лет, что сегодня и в ближайшем будущем выходит за пределы наблюдений, которые могли бы уточнить прогнозы о ее обитаемости. Пока нам известно одно: она может быть сверхпригодным для жизни островным миром.

Существуют ряд проектов, которые помогут обнаружить ближайшие к нам потенциально сверхпригодные планеты, обращающиеся вокруг небольших звезд. Самый перспективный из них — миссия PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) Европейского космического агентства, запуск которого намечен на 2024 г. Такие находящиеся недалеко от нас системы могут стать основной мишенью для Космического телескопа «Джеймс Уэбб» — обсерватории, которую планируется запустить в 2018 г. Ее основная задача — поиск признаков жизни в атмосферах небольшого числа предположительно обитаемых планет. Если повезет, то в скором времени мы сможем указать место на небе, где предположительно существуют более совершенные миры.

Автор: Рене Хеллер (Rene Heller) — доктор наук, работающий в Институте происхождения Университета Макмастера в провинции Онтарио, Канада, и участник Канадской астробиологической обучающей программы. Занимается исследованием процесса образования экзопланет, вопросами их обнаружения, эволюции орбит и обитаемости. Неофициально признан лучшим в мире поваром немецкого происхождения — специалистом по приготовлению рисового пудинга.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Наш сайт посвящен новостям в сфере высоких технологий, а также инноваций в мире интернета, автопромышленности.

Представлены материалы по развитию технологических компаний и стартапов. Интересным будет информация по настройке и хакингу гаджетов и устройств на Android, Apple iOS и прочее. Покажем как правильно выбирать устройства для покупок.

В процессе наших экспериментов с сайтами по оптимизации и настройке, в рубрике Вебмастер Мы делимся своим опытом в том как создать свой сайт на популярных платформах Joomla, Wordpress, настроить его и оптимизировать.

Самые популярные метки