Hur letar de efter planeter i den bebodda zonen, vilka förutsättningar som är nödvändiga för livbildning och vad som är intressant med upptäckten av exoplaneten Proxima b
Den beboeliga zonen, som på engelska kallas den beboeliga zonen, är ett område i rymden med de mest gynnsamma livsvillkoren för den markbundna typen. Termen livsmiljö betyder att nästan alla livsvillkor är uppfyllda, vi ser det bara inte. Livslängd bestäms av följande faktorer: närvaro av vatten i flytande form, en tillräckligt tät atmosfär, kemisk mångfald (enkla och komplexa molekyler baserade på H, C, N, O, S och P) och närvaron av en stjärna som ger den erforderliga mängden energi.
Studera historia: markplaneter
Ur astrofysikens synvinkel fanns det flera stimuli för uppkomsten av begreppet en bebodd zon. Tänk på vårt solsystem och fyra markplaneter: Merkurius, Venus, Jorden och Mars. Kvicksilver har ingen atmosfär, och det är för nära solen, därför inte särskilt intressant för oss. Detta är en planet med ett sorgligt öde, för även om det hade en atmosfär, skulle den föras bort av solvinden, det vill säga en ström av plasma som kontinuerligt strömmar från stjärnans korona.
Tänk på resten av markplaneterna i solsystemet - det är Venus, Jorden och Mars. De uppstod praktiskt taget på samma plats och under samma förhållanden ~ 4,5 miljarder år sedan. Och därför, från astrofysikens synvinkel, bör deras utveckling vara ganska lik. Nu, i början av rymdåldern, när vi har kommit framåt i studiet av dessa planeter med rymdfarkoster, visade resultaten erhållit extremt olika förhållanden på dessa planeter. Vi vet nu att Venus har mycket högt tryck och är mycket varmt på ytan, 460-480 ° C - det är temperaturer där många ämnen till och med smälter. Och från de första panoramabilderna på ytan såg vi att det är helt livlöst och praktiskt taget inte anpassat till livet. Hela ytan är en kontinent.
Terrestriska planeter - Merkurius, Venus, Jorden, Mars
Kampanjvideo:
commons.wikimedia.org
Å andra sidan Mars. Det är en kall värld. Mars har tappat sin atmosfär. Detta är återigen en ökenyta, även om det finns berg och vulkaner. Koldioxidatmosfären är mycket tunn; om vattnet var där, så var det allt fruset. Mars har ett polärt mössa, och de senaste resultaten från ett uppdrag till Mars antyder att det finns is under det sandiga täcket - regoliten.
Och jorden. Mycket gynnsam temperatur, vatten fryser inte (åtminstone inte överallt). Och det var på jorden som livet uppstod - både primitivt och flercelligt, intelligent liv. Det verkar som om vi ser en liten del av solsystemet, i vilket tre planeter, kallade markplaneter, bildades, men deras utveckling är helt annorlunda. Och på dessa första idéer om de möjliga utvecklingsvägarna för själva planeterna uppstod idén om den bebodda zonen.
Vanliga zongränser
Astrofysiker observerar och studerar världen omkring oss, det yttre rymden som omger oss, det vill säga vårt solsystem och planetariska system i andra stjärnor. Och för att på något sätt systematisera, var du ska titta, vilka objekt du ska vara intresserad av, måste du förstå hur du bestämmer den bebodda zonen. Vi har alltid trott att andra stjärnor borde ha planeter, men instrumentell kraft tillät oss att upptäcka de första exoplaneterna - planeter som ligger utanför solsystemet - för bara 20 år sedan.
Hur fastställs de inre och yttre gränserna för den bebodda zonen? Det tros att i vårt solsystem är den bebodda zonen belägen på ett avstånd från 0,95 till 1,37 astronomiska enheter från solen. Vi vet att jorden är en astronomisk enhet (AU) från solen, Venus är 0,7 AU. e. Mars - 1,5 a. Det vill säga, om vi känner till en stjärns ljusstyrka, är det mycket enkelt att beräkna mitten av den bebodda zonen - du behöver bara ta kvadratroten av förhållandet mellan denna stjärns ljusstyrka och hänvisa till solens ljusstyrka, det vill säga:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Här är Rae den genomsnittliga radien för den bebodda zonen i astronomiska enheter, och Lstar och Lsun är de bolometriska ljusstyrkorna för den sökta stjärnan respektive solen. Gränserna för den bebörliga zonen fastställs baserat på kravet på närvaro av flytande vatten på planeterna belägna i den, eftersom det är ett nödvändigt lösningsmedel i många biomekaniska reaktioner. Utöver den yttre gränsen för den bebörliga zonen får planeten inte tillräckligt med solstrålning för att kompensera för strålningsförluster, och dess temperatur kommer att sjunka under vattenens fryspunkt. En planet som ligger närmare stjärnan än den inre gränsen för den bebörliga zonen kommer att uppvärmas alltför mycket av dess strålning, vilket resulterar i att vattnet förångas.
Strängare bestäms den inre gränsen både av planetens avstånd från stjärnan och av atmosfärens sammansättning, och särskilt av förekomsten av så kallade växthusgaser: vattenånga, koldioxid, metan, ammoniak och andra. Som ni vet orsakar växthusgaser uppvärmning av atmosfären, som i händelse av en katastrofalt växande växthuseffekt (till exempel tidigt Venus) leder till förångning av vatten från planetens yta och förlust från atmosfären.
Yttre gränsen är redan den andra sidan av frågan. Det kan vara mycket längre när det finns lite energi från solen och närvaron av växthusgaser i Mars-atmosfären räcker inte för att växthuseffekten skapar ett milt klimat. Så snart mängden energi blir otillräcklig kondenseras växthusgaser (vattenånga, metan, etc.) från atmosfären, faller som regn eller snö, och så vidare. Och de verkliga växthusgaserna har samlats under det polära locket på Mars.
Det är väldigt viktigt att säga ett ord om den bebodliga zonen för stjärnor utanför vårt solsystem: potential är en zon med potentiell bebörjning, det vill säga villkor uppfylls i den som är nödvändiga, men inte tillräckliga för livsbildningen. Här är det nödvändigt att prata om planetens livskraft, när ett antal geofysiska och biokemiska fenomen och processer kommer in i spelet, såsom närvaron av ett magnetfält, plattaktonik, planetenes varaktighet och så vidare. De listade fenomenen och processerna studeras nu aktivt i en ny riktning för astronomisk forskning - astrobiologi.
Sök efter planeter i den bebodda zonen
Astrofysiker letar helt enkelt efter planeter och bestämmer sedan om de befinner sig i den bebodliga zonen. Från astronomiska observationer kan du se var denna planet ligger, var dess bana är. Om du är i den bebodda zonen ökar intresset för denna planet omedelbart. Därefter måste du studera denna planet i andra aspekter: atmosfär, kemisk mångfald, närvaron av vatten och värmekällan. Detta tar oss redan lite utanför parenteserna av begreppet "potential". Men huvudproblemet är att alla dessa stjärnor är väldigt långt borta.
Det är en sak att se en planet nära en stjärna som solen. Det finns ett antal exoplaneter som liknar vår jord - de så kallade under- och superjordarna, det vill säga planeter med radier som ligger nära eller något som överskrider jordens radie. Astrofysiker studerar dem genom att studera atmosfären, vi ser inte ytor - bara i isolerade fall, den så kallade direktavbildningen, när vi bara ser en mycket avlägsen punkt. Därför måste vi studera om denna planet har en atmosfär, och i så fall, vad är dess sammansättning, vilka gaser finns där och så vidare.
Exoplanet (röd prick till vänster) och brun dvärg 2M1207b (mitten). Första bilden taget med direkt bildteknologi 2004
ESO / VLT
I bred mening är sökandet efter liv utanför solsystemet och i solsystemet sökandet efter så kallade biomarkörer. Biomarkörer tros vara kemiska föreningar av biologiskt ursprung. Vi vet att den huvudsakliga biomarkören på jorden till exempel är närvaron av syre i atmosfären. Vi vet att det fanns mycket lite syre på den tidiga jorden. Det enklaste, primitiva livet uppstod tidigt, flercelliga liv uppstod ganska sent, för att inte tala intelligent. Men sedan, på grund av fotosyntes, började syre bildas, atmosfären förändrades. Och detta är en av de möjliga biomarkörerna. Nu vet vi från andra teorier att det finns ett antal planeter med syreatmosfärer, men bildandet av molekylärt syre där orsakas inte av biologiska utan av vanliga fysiska processer,låt oss säga nedbrytningen av vattenånga under påverkan av ultraviolett strålning. Därför är all entusiasm som, så snart vi ser molekylärt syre, en biomarkör, inte helt rättfärdigad.
Uppdraget "Kepler"
Kepler Space Telescope (CT) är ett av de mest framgångsrika astronomiska uppdragen (naturligtvis efter Hubble Space Telescope). Det syftar till att hitta planeter. Tack vare Kepler CT har vi gjort ett kvantesprång inom exoplanetforskning.
Kepler CT fokuserade på ett sätt att upptäcka - de så kallade transiterna, när en fotometer - det enda instrumentet ombord på satelliten - spårade förändringen i ljusstyrkan hos en stjärna i det ögonblick planeten passerade mellan den och teleskopet. Detta gav information om planetens omloppsbana, dess massa, temperaturregimen. Och detta gjorde det möjligt att identifiera cirka 4500 potentiella planetkandidater under den första delen av detta uppdrag.
Rymdteleskopet "Kepler"
NASA
Inom astrofysik, astronomi och förmodligen i all naturvetenskap är det vanligt att bekräfta upptäckter. Fotometern registrerar att stjärnans ljusstyrka förändras, men vad kan det betyda? Kanske har stjärnan någon form av interna processer som leder till förändringar; planeterna passerar - det blir mörkare. Därför är det nödvändigt att titta på förändringarnas frekvens. Men för att säga säkert att det finns planeter där är det nödvändigt att bekräfta detta på något sätt - till exempel genom att ändra stjärns radialhastighet. Det vill säga, nu finns det cirka 3600 planeter - dessa är planeter bekräftade med flera observationsmetoder. Och det finns nästan 5 000 potentiella kandidater.
Proxima Centauri
I augusti 2016 mottogs bekräftelse av närvaron av en planet som heter Proxima b nära stjärnan Proxima Centauri. Varför är det så intressant för alla? Av ett mycket enkelt skäl: det är den närmaste stjärnan till vår sol på ett avstånd av 4,2 ljusår (det vill säga ljus täcker detta avstånd på 4,2 år). Detta är den närmaste exoplaneten för oss och möjligen den närmaste himmelkroppen till solsystemet, på vilket livet kan existera. De första mätningarna togs 2012, men eftersom denna stjärna är en sval röd dvärg, måste en mycket lång serie mätningar göras. Och ett antal vetenskapliga team från European Southern Observatory (ESO) har observerat stjärnan i flera år. De gjorde en webbplats som heter Pale Red Dot (palereddot.org - red.), Det vill säga en "blek röd prick" och publicerade observationer där. Astronomer lockade olika observatörer, och det var möjligt att spåra resultaten från observationerna i det offentliga området. Så det var möjligt att följa själva processen för upptäckten av denna planet nästan online. Och namnet på det observerande programmet och webbplatsen går tillbaka till termen Pale Red Dot myntad av den kända amerikanska forskaren Carl Sagan för bilder av planeten Jorden som överförts med rymdskepp från djupet i solsystemet. När vi försöker hitta en planet som Jorden i andra stjärnsystem, kan vi försöka föreställa oss hur vår planet ser ut från djupet i rymden. Projektet fick namnet Pale Blue Dot ('ljusblå prick'), eftersom vår rymd, på grund av atmosfärens ljusstyrka, är synlig som en blå prick.det var möjligt att följa själva processen för upptäckten av denna planet nästan online. Och namnet på det observerande programmet och webbplatsen går tillbaka till termen Pale Red Dot myntad av den kända amerikanska forskaren Carl Sagan för bilder av planeten Jorden som överförts med rymdskepp från djupet i solsystemet. När vi försöker hitta en planet som Jorden i andra stjärnsystem, kan vi försöka föreställa oss hur vår planet ser ut från djupet i rymden. Projektet fick namnet Pale Blue Dot ('ljusblå prick'), eftersom vår rymd, på grund av atmosfärens ljusstyrka, är synlig som en blå prick.det var möjligt att följa själva processen för upptäckten av denna planet nästan online. Och namnet på det observerande programmet och webbplatsen går tillbaka till termen Pale Red Dot myntad av den kända amerikanska forskaren Carl Sagan för bilder av planeten Jorden som överförts med rymdskepp från djupet i solsystemet. När vi försöker hitta en planet som Jorden i andra stjärnsystem, kan vi försöka föreställa oss hur vår planet ser ut från djupet i rymden. Projektet fick namnet Pale Blue Dot ('ljusblå prick'), eftersom vår rymd, på grund av atmosfärens ljusstyrka, är synlig som en blå prick.föreslagen av den berömda amerikanska forskaren Carl Sagan för bilder av planeten Jorden som överförts med rymdskepp från djupet i solsystemet. När vi försöker hitta en planet som Jorden i andra stjärnsystem, kan vi försöka föreställa oss hur vår planet ser ut från djupet i rymden. Projektet fick namnet Pale Blue Dot ('ljusblå prick'), eftersom rymden, på grund av atmosfärens ljusstyrka, är vår planet synlig som en blå prick.föreslagen av den berömda amerikanska forskaren Carl Sagan för bilder av planeten Jorden som överförts med rymdskepp från djupet i solsystemet. När vi försöker hitta en planet som Jorden i andra stjärnsystem, kan vi försöka föreställa oss hur vår planet ser ut från djupet i rymden. Projektet fick namnet Pale Blue Dot ('ljusblå prick'), eftersom rymden, på grund av atmosfärens ljusstyrka, är vår planet synlig som en blå prick.
Planet Proxima b befann sig i den bebörliga zonen för sin stjärna och relativt nära Jorden. Om vi, jorden, är en astronomisk enhet från vår stjärna, är denna nya planet 0,05, det vill säga 200 gånger närmare. Men stjärnan lyser svagare, den är kallare och redan på sådana avstånd faller den in i den så kallade tidvattenszonen. När jorden fångade månen och de roterar tillsammans är samma situation här. Men samtidigt värms den ena sidan av planeten upp och den andra är kallt.
Det påstådda landskapet i Proxima Centauri b sett av konstnären
ESO / M. Kornmesser
Det finns sådana klimatförhållanden, ett vindsystem som utbyter värme mellan den uppvärmda delen och den mörka delen, och på gränserna till dessa halvkuglar kan det vara ganska gynnsamma livsvillkor. Men problemet med planeten Proxima Centauri b är att moderstjärnan är en röd dvärg. Röda dvärgar lever mycket länge, men de har en specifik egenskap: de är mycket aktiva. Det finns stjärnskydd, utsprång i koronala massor och så vidare. En hel del vetenskapliga artiklar om detta system har redan publicerats, där de till exempel säger att nivån för ultraviolett strålning där är 20-30 gånger högre, till skillnad från jorden. Det vill säga, för att ha gynnsamma förhållanden på ytan, måste atmosfären vara tillräckligt tät för att skydda mot strålning. Men detta är den enda exoplaneten som är närmast oss,som kan studeras i detalj med nästa generation astronomiska instrument. Observera dess atmosfär, se vad som händer där, om det finns växthusgaser, vad är klimatet där, eller om det finns biomarkörer där. Astrofysiker kommer att studera planeten Proxima b, ett hett objekt för forskning.
perspektiv
Vi väntar på flera nya markbaserade och rymdteleskop, nya instrument kommer att lanseras. I Ryssland kommer detta att vara rymdteleskopet Spektr-UF. RAS Institute of Astronomy arbetar aktivt med detta projekt. År 2018 kommer det amerikanska rymdteleskopet att lanseras. James Webb är nästa generation jämfört med CT im. Hubble. Dess upplösning kommer att vara mycket högre, och vi kommer att kunna se atmosfärens sammansättning i de exoplaneter som vi känner till, på något sätt löser deras struktur, klimatsystem. Men vi måste förstå att detta är ett vanligt astronomiskt instrument - naturligtvis kommer det att finnas mycket stark konkurrens, liksom på CT. Hubble: någon vill titta på galaxen, någon - stjärnorna, någon annan något. Flera specialuppdrag för att utforska exoplaneter planeras,t.ex. NASAs TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Faktum är att vi under de kommande tio åren kan förvänta oss en betydande utveckling av vår kunskap om exoplaneter i allmänhet och om potentiellt bebodda exoplaneter som Jorden i synnerhet.
Valery Shematovich, doktor i fysik och matematik, chef för avdelningen för solsystemforskning, Institutet för astronomi, Ryska vetenskapsakademin