Зона населеності

Зона населеності

Одна з основних цілей вивчення екзопланет — пошуки життя. Ще лишаються надії знайти життя в Сонячній системі в якійсь простій формі, можливо, на супутниках Юпітера чи Сатурна. Можливо, ми дізнаємось, що колись життя існувало на Марсі. Але все-таки основна надія знайти життя, хоч трохи схоже на земне, — шукати його на екзопланетах, причому саме на планетах. Екзопланети можуть мати супутники, але навряд чи з великої відстані ми побачимо сліди існування цього життя. Поки що ми навіть не знаємо про існування таких екзомісяців. Крім того, якщо ці супутники схожі на супутники в Сонячній системі, навряд чи там можливе існування життя в розвинутій формі. Звичайно, життя може бути дуже різноманітним, але, говорячи про пошуки життя, ми маємо на увазі життя земного типу. Тому ми говоримо про пошуки життя, схожого на наше, на планетах, теж схожих на нашу.

Тут є деякі успіхи. Ми знаємо вже велику кількість екзопланет, і в 2011 році люди почали відкривати дрібні екзопланети. Дрібні — тобто з масами і розмірами, як у Землі, Марса чи Венери. На жаль, поки що маса і розмір — це все, що ми можемо виміряти для екзопланети. Плюс, звичайно, ми знаємо відстань від екзопланети до зірки, тобто можемо порахувати, скільки енергії вона отримує від свого Сонця.

Тут виникає важлива концепція, яка англійською називається habitable zone, і навіть там сперечаються, годиться така назва чи ні. Наприклад, комусь подобається назва «зона Золотоволоски», оскільки вона говорить, що потрібно, щоб було не надто гаряче, не надто холодно. Можна назвати це зоною Шелдона Купера, який спеціально вибирав місце на дивані, де не надто холодно, не надто спекотно і добре видно телевізор. Найчастіше habitable zone перекладають як зона населеності — так ми і будемо це називати.

Бажаєте мати ідеальний диван? Легко! Адже на itis.ua, навіть не виходячи з дому, можна купити диван в інтернеті. Не зволікайте, «той самий» диван вже чекає на Вас!

Оскільки ми можемо визначити, скільки енергії планета отримує від свого Сонця, можна визначити, чи знаходиться вона в зоні населеності. Для чого? Для того, щоб на поверхні цієї екзопланети могла існувати вода. Ми вважаємо, що життя земного типу можливе, тільки якщо на поверхні є велика кількість рідкої води. Можливі різні варіанти: якесь підземне життя, великі підземні водойми, — але все це, швидше за все, не дозволить життю розвинутись до високих форм — це раз, а по-друге, буде важче виявити його сліди. Тому ми говоримо про зони населеності застосовуючи до рідкої води на поверхні планети. І приблизно з 2012 року люди почали відкривати маленькі, схожі за розмірами на Землю чи Венеру планети в зонах населеності.

Зараз ми знаємо, що таких планет багато. Знаємо ми їх приблизно з десяток, можливо, кілька десятків, якщо не так строго підходити до визначення зони населеності. Але ми можемо вже навести статистику, і сучасні оцінки показують, що кілька відсотків зірок типу Сонця мають приблизно такі ж планети, як Земля, в зонах населеності. Тобто перспективи досить райдужні.

Тепер про самі зони населеності. Іноді, зовсім спрощуючи, говорять, що якщо планета знаходиться дуже близько до своєї зірки, то тоді температура на її поверхні буде занадто великою, вся вода закипить, всі океани випаруються. І, навпаки, якщо планета буде дуже далеко, то тоді температура буде дуже низькою, вся вода замерзне, планету вкриє лід. На пальцях це правильно, але насправді, звичайно, зони населеності вираховують набагато акуратніше.

Оскільки температура на Землі все-таки залежить від клімату, велику роль відіграє атмосфера. Розрахунок розміру зони населеності — її внутрішні межі, де жарко, і зовнішні, де холодно, — пов'язаний з кліматичними розрахунками. Клімат ми вміємо розраховувати не дуже точно, ми погоду на три дні вперед не можемо добре передбачити. Але тим не менш розрахунки різних груп більш-менш сходяться, тобто немає розбіжностей у два рази, наприклад, за розмірами зони населеності.

Ключовим моментом для розрахунку, де не надто спекотно й не надто холодно, є розрахунок парникового ефекту. Давайте згадаємо, наскільки він важливий. На Землі температура на тридцять з гаком градусів вища, ніж має бути. Пов'язано це з парниковим ефектом атмосфери Землі. Якщо підсувати Землю ближче до Сонця, парниковий ефект ставатиме важливішим, температура почне підвищуватись, вода почне випаровуватись, це запустить самопідтримний процес, парниковий ефект стане ще важливішим, вся вода перейде в атмосферу і потихеньку буде з неї втрачатись. Навпаки, якщо відсувати планету від Сонця, то парниковий ефект ставатиме менш важливим, і в якийсь момент температура впаде досить низько, почнеться вічний льодовиковий період, і рідкої води на поверхні знову немає.

Зона населеності — це смуга, яка може займати досить великий простір. Тобто не потрібно, щоб планета перебувала в якійсь певній точці і отримувала від своєї зірки рівно стільки енергії, скільки отримує Земля від Сонця. Крім того, важливо пам’ятати, що зірки різні. Якщо зірка більш масивна, то вона випромінює більше, і, відповідно, зона населеності знаходиться далі і буде ширшою. Якщо зірка менша, ніж Сонце, то вона випромінює менше, і зона населеності підходить набагато ближче до зірки і стає трохи вужчою. Але в принципі можна говорити про зони населеності практично у будь-яких зірок, з тією поправкою, що наймасивніші зірки живуть недостатньо довго, і навряд чи можна розраховувати, що якесь життя з'явиться біля зірки, яка навіть в три рази важча за Сонце, просто тому, що життя не матиме кількох мільярдів років, щоб пройти тривалу еволюцію.

Важливо, що еволюціонує не тільки життя: еволюціонують зірки, еволюціонують планети. Зірка, перепалюючи водень на гелій, тобто перебуваючи на головній послідовності, з часом стає все яскравішою, і тому зона населеності рухається. Зазвичай кажуть, що Сонце через п'ять мільярдів років перетвориться на червоного гіганта, розшириться і ми всі помремо. Втім, ми помремо набагато раніше з тієї простої причини, що Сонце ставатиме все потужнішим джерелом випромінювання, зона населеності буде рухатись, а Земля стоятиме, де стоїть. І через два з гаком мільярда років Земля поступово вийде з зони населеності, почнеться весь цей неприємний парниковий ефект, і життя, яким ми його знаємо, якщо ми самі його не угробимо раніше, зникне.

Крім того, еволюціонують орбіти планет. Особливо активно це відбувається в молодій планетарній системі. Виявляється, що для появи життя ця зміна орбіт надзвичайно важлива. Причина дуже проста. Планета має бути в зоні населеності, щоб на її поверхні могла існувати рідка вода. Але звідки візьметься ця рідка вода? Спочатку в процесі утворення планет потрібно, щоб велика кількість води потрапила на планету. Так от, якщо Земля утворюється там, де вона зараз знаходиться, то ця область ближче, ніж так звана зона льоду. Дійсно, це область, де досить тепло, в процесі утворення Сонце випромінює досить багато енергії, і тому всі летючі речовини звідси випаровуються. І тому, коли утворився перший крупний зародок Землі, там, звичайно, ніякої води не було. Потрібно, щоб в планетарній системі відбувалось бурхливе перемішування, щоб здалеку, з-за великих планет прилетіли великі тіла, в яких є багато води, впали на нашу планету і принесли цю воду. Якийсь час вважалось, що воду так могли на Землю занести комети, але, як видно, це не так. Аналізи показують, що там трохи не та вода, тому кометами не пояснити основну кількість води на Землі. Таким чином, еволюція планетних орбіт виявляється дуже важливою.

Що ще треба сказати про планетні орбіти? Земна орбіта практично кругла. Тому у нас пори року змінюються лише через те, що вісь Землі нахилена до площини екліптики, і, як відомо, коли у нас літо, Земля насправді знаходиться трохи далі від Сонця, ніж взимку. Але більша частина планет все-таки має досить ексцентричні орбіти, доволі витягнуті. Але це не означає, що повністю виключається існування життя. Йдуть досить активні суперечки, як довго планета повинна знаходитись всередині зони населеності — половину свого орбітального періоду, більше, менше, — щоб її можна було віднести до потенційних кандидатів у планети, де може бути якесь життя.

Аналіз показує, що трьох параметрів — маса, як у Землі, радіус, як у Землі, і знаходження в зоні населеності — недостатньо для появи життя, тим більше життя в розвинутій формі. Тому поки всі кандидати в двійники Землі, які визначаються лише за цими трьома параметрами, недостатньо надійні.

Що ще може бути важливо? Очевидно, важлива внутрішня будова, важлива тектоніка. Якщо планета буде кам'яною, нехай навіть точно такою ж, як Земля, але всередині вона абсолютно мертва: ніяких бурхливих процесів не відбувається, вулканів немає, континенти нікуди не рухаються, — малоймовірно, що на цій планеті почнеться біологічна еволюція.

Інший важливий параметр — це магнітне поле планети. Від будь-якої зірки дме зоряний вітер, і потрібно захищати планету від цього потоку речовини. Найпростіше, що може статись, — може здути атмосферу, і таке буває. У Землі досить потужне магнітне поле, яке надійно її захищає, а ось у Марса, наприклад, його немає. Можливо, одна з причин втрати Марсом атмосфери — це якраз відсутність магнітного поля. Таким чином, для того щоб планета вважалась хорошим кандидатом у населені, хотілось би мати дані по тектоніці, по магнітних полях, але, на жаль, це поки за межами наших технічних можливостей.

Ще важливо обговорити властивості зірки. По-перше, важливо, щоб зірка була досить спокійною. Якщо на зірці часто відбуваються потужні спалахи, тим паче такі, що супроводжуються викидом корональної речовини, то це теж може бути згубно для планети. Потужний ультрафіолетовий спалах може знищити озоновий шар, а далі своїм стабільним ультрафіолетовим випромінюванням зірка потихеньку дезінфікує всю планету, і мікроби, які почали було розвиватись і еволюціонувати, змушені все починати спочатку. Таким чином, якщо це відбувається досить часто, планета не дуже хороший кандидат. Це погана новина. Тому що зараз нам простіше виявляти маленькі кам'яні планети біля червоних карликів — маленьких зірок, які за масою в кілька разів легші за Сонце. Такі зірки якраз спалахують досить часто, і тому помітна частка маленьких кам'яних планет в зонах населеності, які відкриті і будуть відкриватись найближчим часом, як видно, не дуже хороші кандидати в населені світи.

Нарешті, люди намагаються розширювати поняття зони населеності. Наприклад, можна поговорити не лише про місце, але і про час. Що це означає? Наприклад, якщо ви пишете науково-фантастичний роман, навряд чи розумно говорити про якусь цивілізацію, яка виникла, скажімо, через 300 мільйонів років після Великого вибуху: занадто рано. Дуже багато повинно відбутись: повинні спалахнути перші наднові, викинути важкі елементи, ці важкі елементи повинні перемішатись у міжзоряній речовині, встигнути увійти до складу нових планетних систем, повинні утворитись нові планети, і тільки там може початись розвиток, який врешті призведе до появи якоїсь цивілізації. Як видно, ми живемо в правильний час, Всесвіту 13 з гаком мільярдів років, але навряд чи є цивілізація, старша за нас на 5-6 мільярдів років, це було б не дуже ймовірно. Ми розвиваємось досить швидко, і пара мільярдів років вже точно є, так що є хороший привід написати науково-фантастичний роман.

З іншого боку, можна розширити поняття зони населеності на всю галактику. Умови в різних частинах галактики різні. Наприклад, якщо говорити про центральні частини нашої Галактики, то там відбуваються такі неприємні речі: зірки розташовані набагато ближче одна до одної, тому частіше відбуваються близькі проходження зірок, які можуть збурювати планетні орбіти. І знову ж, життя тільки хотіло почати розвиватись, але пролетіла близька зірка, і планета, яка кружляла на відстані 150 мільйонів кілометрів від свого Сонця по круговій орбіті, стала крутитись на витягнутій орбіті, то підходячи на 50 мільйонів, то віддаляючись на 400 мільйонів, і, звичайно, життю стає набагато складніше розвиватись. Крім того, близькі масивні зірки можуть спалахувати як наднові — це знову не надто корисна ситуація, знову є потужний потік ультрафіолетового випромінювання, як при зіркових спалахах, це також може руйнувати озоновий шар, а потім все те ж саме — планета буде потихеньку дезінфікуватись.

У зовнішніх частинах галактики поява життя теж не дуже ймовірна. Там менше важких елементів, менша ймовірність появи маленьких кам'яних планет з потрібною тектонікою, оскільки якщо у вас немає дуже важких радіоактивних елементів, то, створивши планету, ви не зможете як слід розігріти її надра, а це істотна умова для існування життя.

Незважаючи на те, що ми думаємо, що кілька відсотків зірок типу Сонця мають маленькі кам'яні планети, було б надто оптимістично вважати, що всі вони потенційно населені. З іншого боку, якщо згадати, що мова йде про десятки мільярдів зірок типу Сонця в нашій Галактиці, то все-таки кілька відсотків або нехай навіть частка відсотка від десятків мільярдів — це дуже велике число. Тому є досить хороші перспективи в найближчі десятиліття виявити маленькі кам'яні планети в зонах населеності, на яких ми будемо бачити сліди існування життя земного типу.

X

Вхід

Завантажую...