Земной аналог - Earth analog

До научного поиска и изучения внесолнечных планет возможность аргументировалась философией и научной фантастикой. Принцип посредственности предполагает, что планеты, подобные Земле, должны быть обычными во Вселенной , в то время как гипотеза Редкой Земли предполагает, что они чрезвычайно редки. Тысячи открытых к настоящему времени экзопланетных звездных систем сильно отличаются от Солнечной системы , что подтверждает гипотезу редкой земли .

Философы указали, что размер Вселенной таков, что где-то должна существовать почти идентичная планета. В далеком будущем , технология может быть использована людьми , чтобы искусственно произвести аналог Земли по терраформингу . Теория мультивселенной предполагает, что аналог Земли может существовать в другой вселенной или даже быть другой версией самой Земли в параллельной вселенной .

4 ноября 2013 года , сообщили астрономы, на основе Кеплер космической миссии данных, что может быть столько , сколько 40000000000 размером с Землей планета , вращающимся вокруг в жилых зонах на ВС типа звезд и красных карликов в пределах Млечного Пути . По статистике, ближайшая такая планета может находиться в пределах 12 световых лет от Земли . В сентябре 2020 года, астрономы определили 24 superhabitable планеты (планеты лучше , чем Земля) претендентов, из числа более чем 4000 подтвержденных экзопланет в настоящее время , на основе астрофизических параметров , а также естественной истории из известных форм жизни на Земле.

Научные открытия с 1990-х годов сильно повлияли на область астробиологии , модели обитаемости планет и поиск внеземного разума (SETI).

История

Персиваль Лоуэлл изобразил Марс как сухую, но похожую на Землю планету, пригодную для проживания внеземной цивилизации.
Песчаные дюны в пустыне Намиб на Земле (вверху) по сравнению с дюнами в Белете на Титане

Между 1858 и 1920 годами многие, в том числе некоторые ученые, считали Марс очень похожим на Землю, только более сухим, с плотной атмосферой, аналогичным наклоном оси, орбитой и временами года, а также с марсианской цивилизацией, построившей великие марсианские каналы . Эти теории были выдвинуты Джованни Скиапарелли , Персивалем Лоуэллом и другими. Таким образом, Марс в художественной литературе изображал красную планету похожей на Землю, но с пустынным ландшафтом. Однако изображения и данные космических аппаратов Mariner (1965) и Viking (1975–1980) показали, что планета представляет собой бесплодный мир, покрытый кратерами. Однако с продолжающимися открытиями оставались и другие сравнения с Землей. Например, гипотеза о Марсе и океане возникла в ходе миссий «Викинг» и была популяризирована в 1980-х годах. Учитывая возможность наличия воды в прошлом, существовала вероятность того, что жизнь могла начаться на Марсе, и она снова стала более похожей на Землю.

Точно так же до 1960-х годов Венера считалась многими, включая некоторых ученых, более теплой версией Земли с плотной атмосферой, горячей и пыльной или влажной с водяными облаками и океанами. В художественной литературе Венера часто изображалась как имеющая сходство с Землей, и многие размышляли о венерианской цивилизации. Эти убеждения были развеяны в 1960-х годах, когда первые космические зонды собрали более точные научные данные о планете и обнаружили, что Венера - очень горячий мир с температурой поверхности около 462 ° C (864 ° F) в кислой атмосфере с поверхностным давлением. 9,2 МПа (1330 фунтов на кв. дюйм).

С 2004 года Кассини-Гюйгенс начал открывать спутник Сатурна Титан как один из наиболее похожих на Землю миров за пределами обитаемой зоны. Несмотря на кардинально иной химический состав, такие открытия, как подтверждение существования озер , рек и речных процессов Титана в 2007 году, продвинули сравнения с Землей. Дальнейшие наблюдения, включая погодные явления, помогли понять геологические процессы, которые могут происходить на планетах земного типа.

Космический телескоп Кеплера начал наблюдение транзитов потенциальных планет земной группы в обитаемой зоне с 2011 г. Хотя эта технология обеспечивает более эффективные средства для обнаружения и подтверждения планет, она не смогло завершить окончательно , как Земля , как кандидаты планеты на самом деле являются. В 2013 году было подтверждено, что несколько кандидатов в Кеплер менее 1,5 радиуса Земли вращаются в обитаемой зоне звезд. Только в 2015 году был объявлен первый кандидат размером с Землю, вращающийся вокруг солнечного кандидата, Kepler-452b .

Атрибуты и критерии

Вероятность нахождения аналога Земли зависит в основном от атрибутов, которые, как ожидается, будут похожими, а они сильно различаются. Обычно считается, что это будет планета земного типа, и было проведено несколько научных исследований, направленных на поиск таких планет. Часто подразумеваются, но не ограничиваются такими критериями, как размер планеты, сила тяжести на поверхности, размер и тип звезды (например, аналог Солнца ), орбитальное расстояние и стабильность, наклон и вращение оси, схожая география , океаны , воздух и погодные условия, сильная магнитосфера и даже наличие сложной земной жизни . Если есть сложная жизнь, то большую часть земли могут покрывать леса . Если есть разумная жизнь, некоторые части земли могут быть покрыты городами . Некоторые факторы, которые предполагаются для такой планеты, могут быть маловероятными из-за собственной истории Земли. Например, атмосфера Земли не всегда была богата кислородом, и это биосигнатура появления фотосинтетической жизни. Формирование, присутствие, влияние на эти характеристики Луны (такие как приливные силы ) также могут представлять проблему при поиске аналога Земли.

Размер

Сравнение размеров: Кеплер-20e и Кеплер-20f с Венерой и Землей

Размер часто считается важным фактором, поскольку планеты размером с Землю, скорее всего, имеют земную природу и способны сохранять атмосферу земного типа.

В список входят планеты с массой 0,8–1,9 Земли, ниже которых обычно классифицируются как субземли, а выше - суперземли . Кроме того, включены только планеты, о которых известно, что они попадают в диапазон 0,5–2,0 радиуса Земли (от половины до двух радиусов Земли).

Согласно критериям размера, ближайшими объектами планетарной массы по известному радиусу или массе являются:

Имя Земные массы ( M 🜨 ) Радиусы Земли ( R 🜨 ) Примечание
Кеплер-69с 0,98 1,7 Первоначально предполагалось, что она находится в околозвездной обитаемой зоне (CHZ), а теперь считается слишком жаркой.
Кеплер-9д > 1,5 1,64 Невыносимо жаркий.
COROT-7b <9 1,58
Кеплер-20ф <14,3 1.03 Немного крупнее и, вероятно, более массивное, слишком горячее, чтобы быть похожим на Землю.
Тау Кита б 2 Невыносимо жаркий. Не известно, чтобы пройти.
Кеплер-186Ф 1.1 Орбиты в обитаемой зоне.
Земля 1 1 Орбиты в обитаемой зоне .
Венера 0,815 0,949 Намного горячее.
Кеплер-20э <3,08 0,87 Слишком жарко, чтобы быть похожим на Землю.
Проксима б > 1,27 > 1,1 Ближайшая к Земле экзопланета.

Это сравнение показывает, что сам по себе размер - плохой показатель, особенно с точки зрения обитаемости . Температуру также следует рассматривать как Венеру и планеты Альфа Центавра B (обнаружено в 2012 г.), Кеплер-20 (обнаружено в 2011 г.), COROT-7 (обнаружено в 2009 г.) и три планеты Кеплер-42 (все обнаружены в 2011 г.). ) очень горячие, а Марс , Ганимед и Титан - холодные миры, что также приводит к большому разнообразию поверхностных и атмосферных условий. Масса спутников Солнечной системы составляет крошечную долю массы Земли, в то время как массы внесолнечных планет очень трудно точно измерить. Однако открытия планет земной группы размером с Землю важны, поскольку они могут указывать на вероятную частоту и распределение планет земного типа.

Наземный

Подобные поверхности спутника Сатурна Титана (полученные зондом Гюйгенс ) имеют внешнее сходство с поймами Земли.

Другой часто упоминаемый критерий заключается в том, что аналог Земли должен быть земным, то есть иметь аналогичную геологию поверхности - поверхность планеты, состоящую из подобных материалов поверхности. Ближайшими известными примерами являются Марс и Титан, и хотя есть сходства в их типах рельефа и составе поверхности, есть также значительные различия, такие как температура и количество льда.

Многие материалы на поверхности Земли и формы рельефа образуются в результате взаимодействия с водой (например, глины и осадочные породы ) или как побочный продукт жизни (например, известняк или уголь), вулканического или искусственного взаимодействия с атмосферой. Следовательно, настоящий аналог Земли, возможно, должен был образоваться в результате аналогичных процессов, обладая атмосферой, вулканическими взаимодействиями с поверхностью, прошлой или настоящей жидкой водой и формами жизни .

Температура

Есть несколько факторов, которые могут определять планетарные температуры, и, следовательно, несколько показателей, которые могут быть сопоставлены с землей на планетах, где атмосферные условия неизвестны. Равновесная температура используется для планет без атмосферы. Применительно к атмосфере предполагается парниковый эффект . Наконец, используется температура поверхности. На каждую из этих температур влияет климат, на который влияет орбита и вращение (или приливная блокировка) планеты, каждая из которых вносит дополнительные переменные.

Ниже приводится сравнение подтвержденных планет с ближайшими известными температурами к Земле.

Сравнение температур Венера Земля Кеплер 22б Марс
Глобальная равновесная температура 307 К
34 ° C
93 ° F
255 К
−18 ° C
−0,4 ° F
262 К
−11 ° C
22,2 ° F
206 К
−67 ° C
−88,6 ° F
+ Эффект парникового газа 737 К
464 ° C
867 ° F
288 К
15 ° C
59 ° F
295 К
22 ° C
71,6 ° F
210 К
−63 ° C
−81 ° F
Приливно заблокирован Почти Нет Неизвестный Нет
Альбедо Global Bond 0,9 0,29 0,25
Ссылка

Солнечный аналог

Еще один критерий идеального земного аналога, укрывающего жизнь, - это то, что он должен вращаться вокруг солнечного аналога ; то есть звезда, очень похожая на наше Солнце. Однако этот критерий может быть не совсем верным, поскольку множество различных типов звезд могут обеспечить местную среду, благоприятную для жизни. Например, в Млечном Пути большинство звезд меньше и тусклее Солнца. Одна из таких звезд, TRAPPIST-1 , расположена на расстоянии 12 парсеков (39 световых лет) от нас и примерно в 10 раз меньше и в 2000 раз тусклее, чем наше Солнце, но при этом у нее есть по крайней мере 6 планет земного типа в своей обитаемой зоне . Хотя эти условия могут показаться неблагоприятными для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, ожидается , что TRAPPIST-1 будет продолжать гореть в течение 12 триллионов лет (по сравнению с продолжительностью жизни наших солнц 5 миллиардов лет), что является достаточным временем для возникновения жизни в результате абиогенеза . Для сравнения: жизнь на Земле зародилась всего за 1 миллиард лет.

Поверхностные воды и гидрологический цикл

Вода покрывает 70% поверхности Земли и требуется всем известным формам жизни.
Kepler-22b , расположенный в обитаемой зоне звезды, похожей на Солнце, может быть лучшим экзопланетным кандидатом на внеземную поверхностную воду, обнаруженным на сегодняшний день, но он значительно больше Земли, и его фактический состав неизвестен.

Концепция обитаемой зоны (или зоны жидкой воды), определяющей область, где вода может существовать на поверхности, основана на свойствах как Земли, так и Солнца. Согласно этой модели, Земля вращается примерно в центре этой зоны или в позиции «Златовласки». Земля - ​​единственная планета, на которой в настоящее время подтверждено наличие больших водоемов на поверхности. Венера находится на горячей стороне зоны, а Марс - на холодной. Ни у одного из них нет устойчивых поверхностных вод, хотя существуют доказательства того, что Марс имел в своем древнем прошлом, и предполагается, что то же самое было и в случае с Венерой. Таким образом, внесолнечные планеты (или луны) в позиции Златовласки со значительной атмосферой могут обладать океанами и водными облаками, как на Земле. Помимо поверхностных вод, настоящий аналог Земли потребует сочетания океанов или озер и областей, не покрытых водой или сушей .

Некоторые утверждают, что настоящий аналог Земли должен не только иметь аналогичное положение своей планетной системы, но также вращаться вокруг солнечного аналога и иметь почти круговую орбиту, чтобы он оставался постоянно обитаемым, как Земля.

Внесолнечный аналог Земли

Принцип посредственности предполагает, что существует вероятность того, что случайные события могли позволить земной планете сформироваться в другом месте, что позволило бы появиться сложной многоклеточной жизни. Напротив, гипотеза редкой земли утверждает, что при применении самых строгих критериев такая планета, если она существует, может быть так далеко, что люди никогда не смогут ее обнаружить.

Поскольку в Солнечной системе не было аналога Земли, поиск расширился до внесолнечных планет . Астробиологи утверждают, что аналоги Земли, скорее всего, можно было бы найти в звездной обитаемой зоне , в которой могла бы существовать жидкая вода, обеспечивающая условия для поддержания жизни. Некоторые астробиологи, такие как Дирк Шульце-Макух , подсчитали, что достаточно массивный естественный спутник может образовать пригодную для жизни Луну, подобную Земле.

История

Предполагаемая частота

Художественная концепция планет земного типа

Частота появления планет земного типа как в Млечном Пути, так и во вселенной еще неизвестна. Он варьируется от оценок гипотезы крайней редкой Земли - одна (то есть Земля) - до бесчисленных.

Несколько текущих научных исследований, включая миссию Кеплера , направлены на уточнение оценок с использованием реальных данных с транзитных планет. Исследование, проведенное в 2008 году астрономом Майклом Мейером из Университета Аризоны космической пыли около недавно образовавшихся звезд, подобных Солнцу, предполагает, что от 20% до 60% солнечных аналогов имеют доказательства образования каменистых планет , мало чем отличающиеся от процессов, которые привели к ним. Земли. Команда Мейера обнаружила диски космической пыли вокруг звезд и считает это побочным продуктом образования каменистых планет.

В 2009 году Алан Босс из Института Карнеги науки предположил , что может быть 100 миллиардов земных планет в нашей Млечного Пути галактики в одиночку.

В 2011 году Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL) и на основании наблюдений миссии Кеплера, как ожидается, от 1,4% до 2,7% всех звезд, подобных Солнцу , будут иметь планеты размером с Землю в обитаемых зонах своих звезд. Это означает, что их может быть два миллиарда только в галактике Млечный Путь, и если предположить, что все галактики имеют такое же количество, как и Млечный Путь, в 50 миллиардах галактик в наблюдаемой Вселенной их может быть целых сто квинтиллионов . Это соответствует примерно 20 земным аналогам на квадратный сантиметр Земли.

В 2013 году Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, используя статистический анализ дополнительных данных Кеплера, предположил, что в Млечном Пути есть не менее 17 миллиардов планет размером с Землю. Однако это ничего не говорит об их положении по отношению к жилой зоне.

Исследование 2019 года показало, что планеты размером с Землю могут вращаться вокруг 1 из 6 звезд, подобных Солнцу.

Терраформирование

Художественная концепция терраформированной Венеры , потенциального аналога Земли

Терраформирование (буквально «формирование Земли») планеты , луны или другого тела - это гипотетический процесс преднамеренного изменения ее атмосферы, температуры , топографии поверхности или экосистем, чтобы они были похожи на земные, чтобы сделать их пригодными для жизни людьми.

Из-за близости и сходства размеров Марс и, в меньшей степени, Венера были названы наиболее вероятными кандидатами на терраформирование.

использованная литература