Обитаемость планет - Planetary habitability

Понимание планетарной обитаемости частично является экстраполяцией условий на Земле, поскольку это единственная известная планета, на которой существует жизнь .

Обитаемость планет - это мера способности планеты или естественного спутника создавать и поддерживать среду, благоприятную для жизни . Жизнь может зарождаться непосредственно на планете или спутнике эндогенно или передаваться на него из другого тела посредством гипотетического процесса, известного как панспермия . Окружающая среда не обязательно должна содержать жизнь, чтобы считаться пригодной для проживания, и они не могут считаться пригодными для проживания зонами единственными областями, в которых может возникнуть жизнь.

Поскольку существование жизни за пределами Земли неизвестно, обитаемость планет в значительной степени является экстраполяцией условий на Земле и характеристик Солнца и Солнечной системы, которые кажутся благоприятными для процветания жизни. Особый интерес представляют те факторы, которые поддерживали на Земле сложные многоклеточные организмы, а не только более простые одноклеточные существа. Исследования и теория в этом отношении являются составной частью ряда естественных наук, таких как астрономия , планетология и развивающаяся дисциплина астробиология .

Абсолютное требование для жизни - это источник энергии , а понятие обитаемости на планете подразумевает, что прежде чем астрономическое тело сможет поддерживать жизнь, необходимо выполнить множество других геофизических , геохимических и астрофизических критериев. В своей дорожной карте астробиологии НАСА определило основные критерии обитаемости как «протяженные области жидкой воды, условия, благоприятные для сборки сложных органических молекул , и источники энергии для поддержания метаболизма ». В августе 2018 года исследователи сообщили, что водные миры могут поддерживать жизнь.

Индикаторы пригодности для жизни и биосигнатуры должны интерпретироваться в планетарном и экологическом контексте. При определении потенциала обитаемости тела исследования сосредотачиваются на его основном составе, орбитальных свойствах, атмосфере и возможных химических взаимодействиях. Важные звездные характеристики включают массу и светимость , стабильную изменчивость и высокую металличность . Каменистые, влажные планеты и луны земного типа с потенциалом химии земного типа являются основным направлением астробиологических исследований, хотя более спекулятивные теории обитаемости иногда исследуют альтернативные биохимии и другие типы астрономических тел.

Идея о том, что на планетах за пределами Земли может быть жизнь, является древней, хотя исторически она была сформулирована как философией, так и физической наукой . В конце 20 века в этой области произошли два прорыва. Наблюдение и исследование других планет и спутников Солнечной системы с помощью роботизированных космических аппаратов дало важную информацию по определению критериев обитаемости и позволило провести существенные геофизические сравнения между Землей и другими телами. Открытие внесолнечных планет , начавшееся в начале 1990-х годов и впоследствии ускорившееся, дало дополнительную информацию для изучения возможной внеземной жизни. Эти результаты подтверждают, что Солнце не является уникальным среди звезд на планетах-хозяевах и расширяет горизонт исследования обитаемости за пределы Солнечной системы.

Сравнение обитаемости Земли

Химия жизни , возможно, начали вскоре после Большого взрыва , 13,8 млрд лет назад , во время обитаемого эпохи , когда Вселенной было всего 10-17 миллионов лет. Согласно гипотезе панспермии , микроскопическая жизнь, распространяемая метеороидами , астероидами и другими небольшими телами Солнечной системы, может существовать по всей Вселенной. Тем не менее, Земля - ​​единственное место во Вселенной, где есть жизнь. Оценки обитаемых зон вокруг других звезд, наряду с открытием тысяч внесолнечных планет и новым пониманием экстремальных мест обитания на Земле, предполагают, что во Вселенной может быть гораздо больше пригодных для жизни мест, чем считалось возможным до недавнего времени. 4 ноября 2013 года , сообщили астрономы, на основе Кеплер космической миссии данных, что может быть столько , сколько 40000000000 размером с Землю планет , вращающихся вокруг в жилых зонах на ВС типа звезд и красных карликов в пределах Млечного Пути . 11 миллиардов из этих предполагаемых планет могут вращаться вокруг звезд, подобных Солнцу. По мнению ученых, ближайшая такая планета может находиться от нас на расстоянии 12 световых лет . По состоянию на июнь 2021 года было обнаружено в общей сложности 60 потенциально обитаемых экзопланет.

В августе 2021 года было сообщено о новом классе обитаемых планет, названном « миокеанские планеты », который включает «горячие, покрытые океаном планеты с богатой водородом атмосферой». Планеты Hycean могут вскоре быть изучены на предмет биосигнатур с помощью земных телескопов, а также космических телескопов , таких как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запуск которого запланирован на 2021 год.

Подходящие звездные системы

Понимание планетарной обитаемости начинается с звезды-хозяина. Классический HZ определен только для условий поверхности; но метаболизм, который не зависит от звездного света, все еще может существовать за пределами HZ, процветая внутри планеты, где есть жидкая вода.

Под эгидой SETI «s Project Phoenix , ученые Маргарет Тернбулл и Джилл Тартер разработали„ HabCat “(или Каталог обитаемых звездных систем) в 2002 году каталог был сформирован веяния почти 120 000 звезд большего Гиппаркос Каталог в ядро группа из 17 000 потенциально обитаемых звезд, и использованные критерии отбора дают хорошую отправную точку для понимания того, какие астрофизические факторы необходимы для обитаемых планет. Согласно исследованию, опубликованному в августе 2015 года, очень большие галактики могут быть более благоприятными для образования и развития обитаемых планет, чем меньшие галактики, такие как галактика Млечный Путь .

Однако вопрос о том, что делает планету пригодной для жизни, - гораздо более сложный вопрос, чем наличие планеты, расположенной на правильном расстоянии от своей звезды-хозяина, чтобы вода могла быть жидкой на ее поверхности: различные геофизические и геодинамические аспекты, излучение и плазма родительской звезды. Окружающая среда может влиять на эволюцию планет и жизни, если она возникла. Жидкая вода является необходимым, но недостаточным условием для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, поскольку обитаемость зависит от множества параметров окружающей среды.

Спектральный класс

Спектральный класс звезды указывает на его фотосферное температуру , которая (для звезд главной последовательности ) коррелирует с общей массой. Подходящим спектральным диапазоном для обитаемых звезд считается от «позднего F» или «G» до «среднего K». Это соответствует температурам от немногим более 7000  К до чуть менее 4000 К (от 6700 ° C до 3700 ° C); Солнце, звезда G2 с температурой 5777 К, находится в этих пределах. Этот спектральный диапазон, вероятно, составляет от 5% до 10% звезд в местной галактике Млечный Путь . Звезды «среднего класса» такого типа обладают рядом характеристик, которые считаются важными для обитаемости планеты:

• Они живут как минимум несколько сотен миллионов лет, давая жизни шанс развиваться. Более яркие звезды главной последовательности классов «О» и многие представители класса «В» обычно живут менее 500 миллионов лет, а в исключительных случаях - менее 10 миллионов.
• Они излучают достаточно высокочастотного ультрафиолетового излучения, чтобы вызвать важные атмосферные динамики, такие как образование озона , но не настолько, чтобы ионизация разрушила зарождающуюся жизнь.
• Они излучают достаточное количество излучения на длинах волн, способствующих фотосинтезу.
• Жидкая вода может существовать на поверхности планет, вращающихся вокруг них на расстоянии, не вызывающем приливной блокировки .

Звезды K-типа могут поддерживать жизнь намного дольше, чем Солнце .

Являются ли более слабые красные карлики поздних классов K и M подходящими хозяевами для обитаемых планет - это, пожалуй, самый важный открытый вопрос во всей области обитаемости планет, учитывая их преобладание ( обитаемость систем красных карликов ). Gliese 581c , « суперземля », была обнаружена на орбите в « обитаемой зоне » (HZ) красного карлика и может содержать жидкую воду. Однако также возможно, что парниковый эффект может сделать его слишком горячим, чтобы поддерживать жизнь, в то время как его сосед, Gliese 581 d , может быть более вероятным кандидатом для обитания. В сентябре 2010 года было объявлено об открытии другой планеты, Gliese 581 g , на орбите между этими двумя планетами. Однако отзывы об открытии поставили под сомнение существование этой планеты, и она указана как «неподтвержденная». В сентябре 2012 года было объявлено об открытии двух планет, вращающихся вокруг Gliese 163 . Считалось, что одна из планет, Gliese 163 c , примерно в 6,9 раз больше массы Земли и несколько более горячая, находится в зоне обитаемости.

Недавнее исследование предполагает, что более холодные звезды, излучающие больше света в инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазонах, на самом деле могут содержать более теплые планеты с меньшим количеством льда и возникновением состояний снежного кома. Эти длины волн поглощаются льдом их планет и парниковыми газами и остаются более теплыми.

Исследование 2020 года показало, что около половины звезд, подобных Солнцу, могут содержать каменистые, потенциально обитаемые планеты. В частности, они подсчитали, что в среднем ближайшая планета обитаемой зоны вокруг звезд типа G и K находится на расстоянии около 6 парсеков, а вокруг звезд типа G и K находится около 4 скалистых планет в пределах 10 парсеков (32,6 световых года). солнца.

Стабильная жилая зона

Обитаемая зона (HZ) - это область пространства в форме оболочки, окружающая звезду, в которой планета может поддерживать жидкую воду на своей поверхности. Эта концепция была впервые предложена астрофизиком Су-Шу Хуангом в 1959 году на основе климатических ограничений, наложенных звездой-хозяином. После источника энергии жидкая вода считается наиболее важным ингредиентом для жизни, учитывая, насколько она неотъемлемая часть всех жизненных систем на Земле. Однако, если жизнь обнаруживается в отсутствие воды, определение HZ, возможно, придется значительно расширить.

Внутренний край HZ - это расстояние, на котором неуправляемый парниковый эффект испаряет весь водный резервуар и, как второй эффект, вызывает фотодиссоциацию водяного пара и потерю водорода в космос. Внешний край HZ - это расстояние от звезды, на котором максимальный парниковый эффект не может удерживать поверхность планеты выше точки замерзания, а CO
₂ конденсация.

«Стабильный» HZ предполагает два фактора. Во-первых, диапазон HZ не должен сильно меняться со временем. Все звезды с возрастом увеличивают яркость, и, таким образом, данная HZ мигрирует наружу, но если это происходит слишком быстро (например, со сверхмассивной звездой), планеты могут иметь только короткое окно внутри HZ и, соответственно, меньшую вероятность развивающаяся жизнь. Расчет диапазона HZ и его долгосрочного движения никогда не бывает простым, поскольку петли отрицательной обратной связи, такие как цикл CNO, будут иметь тенденцию компенсировать увеличение яркости. Предположения, сделанные об атмосферных условиях и геологии, таким образом, имеют такое же большое влияние на предполагаемый диапазон HZ, как и звездная эволюция: например, предлагаемые параметры HZ Солнца сильно колебались.

Во-вторых, никакие крупные тела, такие как газовые гиганты, не должны находиться в зоне HZ или относительно близко к ней, что нарушает формирование тел размером с Землю. Например, материя в поясе астероидов, похоже, не могла аккрецироваться на планету из-за орбитального резонанса с Юпитером; если бы гигант появился в области, которая сейчас находится между орбитами Венеры и Марса , Земля почти наверняка не развивалась бы в ее нынешнем виде. Однако у газового гиганта внутри HZ могут быть обитаемые луны при правильных условиях.

В Солнечной системе внутренние планеты являются земными , а внешние - газовыми гигантами , но открытия внесолнечных планет предполагают, что такое расположение может быть не совсем обычным: многочисленные тела размером с Юпитер были обнаружены на близкой орбите вокруг своей первичной планеты. нарушение потенциальных HZ. Однако существующие данные по внесолнечным планетам, вероятно, будут смещены в сторону этого типа (большие планеты на близких орбитах), потому что их гораздо легче идентифицировать; таким образом, еще предстоит увидеть, какой тип планетной системы является нормой, и действительно ли она существует.

Низкая звездная вариация

Изменения светимости характерны для всех звезд, но сила таких колебаний охватывает широкий диапазон. Большинство звезд относительно стабильны, но значительное меньшинство переменных звезд часто претерпевает внезапное и интенсивное увеличение яркости и, следовательно, количества энергии, излучаемой в направлении тел на орбите. Эти звезды считаются плохими кандидатами на место обитания планет, несущих жизнь, поскольку их непредсказуемость и изменения выработки энергии могут негативно повлиять на организмы : живые существа, адаптированные к определенному температурному диапазону, не могут пережить слишком большие колебания температуры. Кроме того, скачки яркости обычно сопровождаются огромными дозами гамма-лучей и рентгеновского излучения, которые могут оказаться смертельными. Атмосферы действительно смягчают такие эффекты, но их атмосфера может не удерживаться планетами, вращающимися по орбите, потому что высокочастотная энергия, ударяющая по этим планетам, будет постоянно лишать их защитного покрытия.

Солнце в этом отношении, как и во многих других, относительно благоприятно: разница между его максимальным и минимальным выходом энергии составляет примерно 0,1% в течение его 11-летнего солнечного цикла . Существуют убедительные (хотя и не бесспорные) доказательства того, что даже незначительные изменения светимости Солнца оказали значительное влияние на климат Земли в историческую эпоху: например, Малый ледниковый период середины второго тысячелетия мог быть вызван относительно длительное снижение яркости Солнца. Таким образом, звезда не обязательно должна быть истинной переменной, чтобы различия в яркости влияли на обитаемость. Из известных солнечных аналогов один, который очень похож на Солнце, считается 18 Скорпионами ; К сожалению, для перспектив жизни, существующей в непосредственной близости от них, единственное существенное различие между двумя телами - это амплитуда солнечного цикла, которая, по-видимому, намного больше для 18 Скорпиона.

Высокая металличность

Хотя основная масса вещества в любой звезде состоит из водорода и гелия , количество более тяжелых элементов ( металлов ) значительно варьируется . Высокая доля металлов в звезде коррелирует с количеством тяжелого материала, изначально доступного в протопланетном диске . Меньшее количество металла делает образование планет гораздо менее вероятным, согласно теории формирования планетных систем солнечной туманности . Любые планеты, которые образовались вокруг звезды с низким содержанием металлов, вероятно, будут иметь низкую массу и, следовательно, неблагоприятны для жизни. Спектроскопические исследования систем, в которых к настоящему времени были обнаружены экзопланеты , подтверждают взаимосвязь между высоким содержанием металлов и образованием планет: «Звезды с планетами или, по крайней мере, с планетами, подобными тем, которые мы находим сегодня, явно более богаты металлами, чем звезды без планет. товарищи ". Эта взаимосвязь между высокой металличностью и образованием планет также означает, что обитаемые системы с большей вероятностью будут обнаружены вокруг звезд более молодых поколений, поскольку звезды, сформировавшиеся на ранних этапах истории Вселенной , имеют низкое содержание металлов.

Планетарные характеристики

Спутники некоторых газовых гигантов потенциально могут быть обитаемыми.

Индикаторы пригодности для жизни и биосигнатуры должны интерпретироваться в планетарном и экологическом контексте. Станет ли планета пригодной для жизни, зависит от последовательности событий, которые привели к ее формированию, которые могут включать производство органических молекул в молекулярных облаках и протопланетных дисках , доставку материалов во время и после планетарной аккреции , а также орбитальное положение планеты. система. Главное предположение об обитаемых планетах состоит в том, что они принадлежат к Земле . Такие планеты, примерно в пределах одного порядка величины от массы Земли , в основном состоят из силикатных пород, и не аккрецируется газообразные внешние слои водорода и гелия найдены на газовых гигантов . Возможность того, что жизнь могла развиваться в верхних слоях облаков планет-гигантов, не исключалась окончательно, хотя и считается маловероятной, поскольку у них нет поверхности, а их гравитация огромна. Между тем естественные спутники планет-гигантов остаются подходящими кандидатами для жизни.

В феврале 2011 года команда космической обсерватории Кеплер опубликовала список из 1235 кандидатов на внесолнечные планеты , в том числе 54, которые могут находиться в обитаемой зоне. Шесть кандидатов в этой зоне в два раза меньше Земли. Более недавнее исследование показало, что один из этих кандидатов (KOI 326.01) намного больше и горячее, чем сообщалось вначале. Основываясь на результатах, команда Кеплера подсчитала, что в Млечном Пути находится «не менее 50 миллиардов планет», из которых «не менее 500 миллионов» находятся в обитаемой зоне.

При анализе среды, которая может поддерживать жизнь, обычно различают простые одноклеточные организмы, такие как бактерии и археи, и сложные многоклеточные (животные). Одноклеточность обязательно предшествует многоклеточности в любом гипотетическом древе жизни, и там, где одноклеточные организмы действительно появляются, нет никакой гарантии, что тогда разовьется большая сложность. Перечисленные ниже планетарные характеристики считаются решающими для жизни в целом, но в любом случае многоклеточные организмы более разборчивы, чем одноклеточные.

Масса

Марс с его разреженной атмосферой холоднее, чем была бы Земля, если бы он находился на таком же расстоянии от Солнца.

Планеты с малой массой - плохие кандидаты на жизнь по двум причинам. Во-первых, их меньшая гравитация затрудняет удержание атмосферы . Составляющие молекулы с большей вероятностью достигнут космической скорости и потеряны в космосе при ударах солнечным ветром или при столкновении. Планеты без толстой атмосферы лишены вещества, необходимого для первичной биохимии , имеют слабую изоляцию и плохую теплопередачу через свои поверхности (например, Марс с его тонкой атмосферой холоднее, чем Земля, если бы он находился на таком же расстоянии от Земли. Солнце) и обеспечивают меньшую защиту от метеороидов и высокочастотного излучения . Кроме того, если плотность атмосферы менее 0,006 атмосфер Земли, вода не может существовать в жидкой форме, поскольку требуемое атмосферное давление , 4,56 мм рт. Ст. (608 Па) (0,18 дюйма рт. Ст. ), Не возникает. Температурный диапазон, при котором вода является жидкой, обычно меньше при низких давлениях.

Во-вторых, планеты меньшего размера имеют меньший диаметр и, следовательно, более высокое отношение поверхности к объему, чем их более крупные собратья. Такие тела имеют тенденцию быстро терять энергию, оставшуюся от их образования, и в конечном итоге становятся геологически мертвыми, не имея вулканов , землетрясений и тектонической активности, которые снабжают поверхность жизненно важным материалом, а атмосферу - замедлителями температуры, такими как углекислый газ . Тектоника плит кажется особенно важной, по крайней мере, на Земле: процесс не только перерабатывает важные химические вещества и минералы, он также способствует биологическому разнообразию за счет создания континентов и повышения сложности окружающей среды, а также помогает создавать конвективные ячейки, необходимые для генерации магнитного поля Земли .

«Низкая масса» - отчасти относительное название: Земля имеет небольшую массу по сравнению с газовыми гигантами Солнечной системы , но она является самым большим по диаметру и массе и самым плотным из всех земных тел. Он достаточно велик, чтобы удерживать атмосферу только за счет гравитации, и достаточно велик, чтобы его расплавленное ядро ​​оставалось тепловым двигателем, управляющим разнообразной геологией поверхности (распад радиоактивных элементов в ядре планеты - другой важный компонент планетарного нагрева). Марс, напротив, почти (или, возможно, полностью) геологически мертв и потерял большую часть своей атмосферы. Таким образом, было бы справедливо сделать вывод, что нижний предел массы для обитаемости лежит где-то между пределом массы Марса и Земли или Венеры: 0,3 массы Земли было предложено в качестве грубой разделительной линии для обитаемых планет. Однако исследование, проведенное Гарвард-Смитсоновским центром астрофизики в 2008 году, предполагает, что разделительная линия может быть выше. На самом деле Земля может находиться на нижней границе обитаемости: если бы она была меньше, тектоника плит была бы невозможна. Венера, на которую приходится 85% массы Земли, не проявляет никаких признаков тектонической активности. И наоборот, « суперземли », планеты земной группы с более высокой массой, чем Земля, будут иметь более высокий уровень тектоники плит и, таким образом, прочно разместятся в обитаемом диапазоне.

Исключительные обстоятельства действительно предлагают исключительные случаи: Юпитер «ы луны Ио (который меньше , чем любой из планет земной) является вулканически динамическим из-за гравитационных напряжений , вызванных его орбиты, и его сосед Европы может иметь жидкий океан или ледяной шуги под замороженная оболочка также из-за энергии, генерируемой на орбите газового гиганта.

Сатурн «s Titan , тем временем, имеют внешний шанс укрывает жизнь, как она сохранила плотную атмосферу и имеет жидкое метановое море на его поверхность. В этих морях возможны органико-химические реакции, требующие минимума энергии, но может ли какая-либо живая система быть основана на таких минимальных реакциях, неясно и кажется маловероятным. Эти спутники являются исключением, но они доказывают, что масса как критерий обитаемости не обязательно может считаться окончательным на данном этапе нашего понимания.

На более крупной планете, вероятно, будет более массивная атмосфера. Комбинация более высокой скорости убегания для удержания более легких атомов и обширного выделения газа в результате улучшенной тектоники плит может значительно увеличить атмосферное давление и температуру на поверхности по сравнению с Землей. Усиленный парниковый эффект такой тяжелой атмосферы предполагает, что обитаемая зона должна быть дальше от центральной звезды для таких массивных планет.

Наконец, большая планета, вероятно, будет иметь большое железное ядро. Это позволяет магнитного поля , чтобы защитить планету от звездного ветра и космической радиации , которая в противном случае как правило стирают атмосферы планеты и бомбардировать живые существа с ионизированных частиц. Масса - не единственный критерий для создания магнитного поля - поскольку планета также должна вращаться достаточно быстро, чтобы вызвать динамо-эффект в ее ядре, - но это важный компонент процесса.

Масса потенциально обитаемой экзопланеты составляет от 0,1 до 5,0 масс Земли. Однако масса обитаемого мира может составлять всего 0,0268 массы Земли.

Радиус

Радиус потенциально обитаемой экзопланеты будет составлять от 0,5 до 1,5 радиуса Земли.

Орбита и вращение

Как и в случае с другими критериями, стабильность является решающим фактором при оценке влияния орбитальных и вращательных характеристик на обитаемость планет. Эксцентриситет орбиты - это разница между самым дальним и самым близким приближением планеты к родительской звезде, деленная на сумму указанных расстояний. Это соотношение, описывающее форму эллиптической орбиты. Чем больше эксцентриситет, тем сильнее колебания температуры на поверхности планеты. Несмотря на то, что они являются адаптивными, живые организмы могут стоять только так много вариаций, в особенности , если флуктуации перекрываются как точки замерзания и точка кипения основного растворителя биотической планеты (например, вода на Земле). Если, например, океаны Земли поочередно кипят и замерзают, трудно представить себе жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, эволюционировавшим. Чем сложнее организм, тем выше температурная чувствительность. Орбита Земли почти идеально круглая с эксцентриситетом менее 0,02; другие планеты Солнечной системы (за исключением Меркурия ) обладают столь же доброкачественными эксцентриситетами. Тем не менее, может быть научная поддержка, основанная на исследованиях, опубликованных в марте 2020 года, для рассмотрения того, что части планеты Меркурий могли быть обитаемыми, и, возможно, что реальные формы жизни , хотя, вероятно, примитивные микроорганизмы , все же могли существовать на планете.

На пригодность для проживания также влияет архитектура планетной системы вокруг звезды. Эволюция и стабильность этих систем определяется гравитационной динамикой, которая движет орбитальной эволюцией планет земной группы. Данные, собранные об эксцентриситетах орбит внесолнечных планет, удивили большинство исследователей: 90% из них имеют эксцентриситет орбиты больше, чем в Солнечной системе, а среднее значение составляет 0,25. Это означает, что подавляющее большинство планет имеют сильно эксцентричные орбиты, и даже если их среднее расстояние от звезды находится в пределах HZ, они, тем не менее, будут проводить только небольшую часть своего времени в этой зоне.

Движение планеты вокруг своей оси вращения также должно соответствовать определенным критериям, чтобы жизнь имела возможность развиваться. Первое предположение состоит в том, что на планете должно быть умеренное время года . Если наклон оси (или наклон) относительно перпендикуляра эклиптики небольшой или отсутствует , сезоны не будут происходить, и исчезнет главный стимулятор биосферного динамизма. Планета также была бы холоднее, чем была бы при значительном наклоне: когда наибольшая интенсивность излучения всегда находится в пределах нескольких градусов от экватора, теплая погода не может сместиться к полюсу, и климат планеты становится во власти более холодных полярных погодных систем.

Если планета радикально наклонена, времена года будут экстремальными, что затруднит достижение гомеостаза биосфере . Наклон оси Земли сейчас (в четвертичном периоде ) выше, чем в прошлом, что совпадает с уменьшением полярного льда , более высокими температурами и меньшими сезонными колебаниями. Ученые не знают, будет ли эта тенденция продолжаться бесконечно при дальнейшем увеличении осевого наклона (см. Земля-снежок ).

Точные эффекты этих изменений в настоящее время могут быть смоделированы только на компьютере, и исследования показали, что даже экстремальные наклоны до 85 градусов не исключают абсолютно жизнь, «при условии, что она не занимает поверхности континентов, сезонно страдающих от самых высоких температур». Следует учитывать не только средний осевой наклон, но и его изменение во времени. Наклон Земли колеблется от 21,5 до 24,5 градусов за 41 000 лет. Более резкие колебания или гораздо более короткая периодичность могут вызвать климатические эффекты, такие как сезонные колебания суровости.

Другие особенности орбиты включают:

• Планета должна вращаться относительно быстро, чтобы цикл день-ночь не был слишком длинным. Если для дня требуются годы, разница температур между дневной и ночной сторонами будет заметной, и на первый план выйдут проблемы, подобные тем, которые отмечены при экстремальном эксцентриситете орбиты.
• Планета также должна вращаться достаточно быстро, чтобы в ее железном ядре можно было запустить магнитное динамо для создания магнитного поля.
• Изменение направления вращения оси ( прецессия ) не должно быть выраженным. Сама по себе прецессия не должна влиять на обитаемость, поскольку она меняет направление наклона, а не его степень. Однако прецессия имеет тенденцию усиливать вариации, вызванные другими отклонениями орбиты; см. циклы Миланковича . Прецессия на Земле происходит в течение 26 000-летнего цикла.

Кажется, что Луна Земли играет решающую роль в смягчении климата Земли за счет стабилизации осевого наклона. Было высказано предположение, что хаотический наклон может быть «нарушителем сделки» с точки зрения обитаемости - т.е. спутник размером с Луну не только полезен, но и необходим для обеспечения стабильности. Эта позиция остается спорной.

В случае с Землей единственная Луна достаточно массивна и вращается по орбите, чтобы вносить значительный вклад в океанические приливы , что, в свою очередь, способствует динамическому перемешиванию больших жидких водных океанов Земли. Эти лунные силы не только помогают гарантировать, что океаны не застаиваются, но также играют решающую роль в динамическом климате Земли.

Геология

Геологический разрез Земли

Воспроизвести медиа

Визуализация, показывающая простую модель магнитного поля Земли .

Концентрации радионуклидов в каменистой мантии планет могут иметь решающее значение для обитаемости планет земного типа, поскольку планеты с более высоким содержанием, вероятно, не имеют постоянного динамо-машины в течение значительной части времени их жизни, а планеты с более низкими концентрациями часто могут быть геологически инертными . Планетные динамо-машины создают сильные магнитные поля, которые часто могут быть необходимы для развития или сохранения жизни, поскольку они защищают планеты от солнечных ветров и космического излучения . Спектры электромагнитного излучения звезд можно использовать для идентификации тех, на которых с большей вероятностью могут находиться обитаемые планеты земного типа. Считается, что по состоянию на 2020 год радионуклиды образуются в результате редких звездных процессов, таких как слияние нейтронных звезд . Дополнительные геологические характеристики могут быть важными или важными факторами обитаемости естественных небесных тел, включая те, которые могут формировать тепловое и магнитное поле тела. Некоторые из них неизвестны или недостаточно изучены и исследуются планетологами , геохимиками и другими.

Геохимия

Обычно предполагается, что любая внеземная жизнь, которая может существовать, будет основана на той же фундаментальной биохимии, что и на Земле, поскольку четыре элемента, наиболее важные для жизни, углерод , водород , кислород и азот , также являются наиболее распространенными химически реактивными элементами. во вселенной. Действительно, простые биогенные соединения, такие как очень простые аминокислоты, такие как глицин , были обнаружены в метеоритах и в межзвездной среде . Эти четыре элемента вместе составляют более 96% коллективной биомассы Земли . Углерод обладает беспрецедентной способностью связываться с самим собой и формировать массив сложных и разнообразных структур, что делает его идеальным материалом для сложных механизмов, формирующих живые клетки . Водород и кислород в форме воды составляют растворитель, в котором происходят биологические процессы и в котором произошли первые реакции, приведшие к возникновению жизни . Энергия, выделяющаяся при образовании мощных ковалентных связей между углеродом и кислородом, доступная при окислении органических соединений, является топливом для всех сложных форм жизни. Эти четыре элемента вместе составляют аминокислоты , которые, в свою очередь, являются строительными блоками белков , вещества живой ткани. Кроме того, ни сера , необходимая для построения белков, ни фосфор , необходимый для образования ДНК , РНК и аденозинфосфатов, необходимых для метаболизма , встречаются редко.

Относительное изобилие в космосе не всегда отражает дифференцированное изобилие внутри планет; из четырех жизненных элементов, например, только кислород присутствует в земной коре в любом количестве . Частично это можно объяснить тем фактом, что многие из этих элементов, такие как водород и азот , наряду с их простейшими и наиболее распространенными соединениями, такими как углекислый газ , окись углерода , метан , аммиак и вода, при высоких температурах являются газообразными. В жарком регионе, близком к Солнцу, эти летучие соединения не могли играть значительной роли в геологическом образовании планет. Вместо этого они были захвачены в виде газов под новообразованными корками, которые в значительной степени состояли из твердых нелетучих соединений, таких как кремнезем (соединение кремния и кислорода, составляющее относительное содержание кислорода). Выделение летучих соединений через первые вулканы способствовало формированию атмосфер планет . Эксперимент Миллера-Юри показал , что, с применением энергии, простые неорганические соединения подвергается воздействию первичной атмосферы могут реагировать синтезировать аминокислоты .

Даже в этом случае дегазация вулкана не могла объяснить количество воды в океанах Земли. Подавляющее большинство воды - и, возможно, углерода - необходимой для жизни, должно быть, пришло из внешней Солнечной системы, вдали от солнечного тепла, где она могла оставаться твердой. Кометы, столкнувшиеся с Землей в первые годы существования Солнечной системы, откладывали бы огромное количество воды вместе с другими летучими соединениями, которые необходимы жизни на ранней Земле, что послужило толчком к возникновению жизни .

Таким образом, хотя есть основания подозревать, что четыре «жизненных элемента» должны быть легко доступны где-то еще, обитаемая система, вероятно, также требует поставки долгосрочных орбитальных тел для засева внутренних планет. Без комет есть вероятность, что жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не существовала бы на Земле.

Микросреды и экстремофилы

Пустыня Атакама в Южной Америке обеспечивает аналог Марса и идеальную среду для изучения границы между бесплодием и обитаемости.

Одним из важных критериев пригодности для обитания является то, что для поддержания жизни требуется лишь крошечная часть планеты, так называемая Край Златовласки или Большое Пребиотическое Пятно. Астробиологи часто интересуются «микросредой», отмечая, что «нам не хватает фундаментального понимания того, как эволюционные силы, такие как мутации , отбор и генетический дрейф , действуют в микроорганизмах, которые действуют на меняющиеся микросреды и реагируют на них. " Экстремофилы - это земные организмы, которые живут в нишевых условиях в суровых условиях, которые обычно считаются враждебными для жизни. Обычно (хотя и не всегда) одноклеточные, экстремофилы включают сильно алкалифильные и ацидофильные организмы, а также другие организмы, способные выдерживать температуру воды выше 100 ° C в гидротермальных жерлах .

Открытие жизни в экстремальных условиях усложнило определение пригодности для жизни, но также вызвало большой интерес у исследователей, значительно расширив известный диапазон условий, в которых может существовать жизнь. Например, планета, которая в противном случае не могла бы поддерживать атмосферу, учитывая солнечные условия в ее окрестностях, могла бы сделать это внутри глубокого затененного разлома или вулканической пещеры. Точно так же кратерная местность может стать убежищем для примитивной жизни. Кратер Лоун-Хилл был изучен как астробиологический аналог, и исследователи предполагают, что быстрое заполнение отложениями создало защищенную микросреду для микробных организмов; аналогичные условия могли иметь место в геологической истории Марса .

Окружающая среда Земли, которая не может поддерживать жизнь, по-прежнему поучительна для астробиологов при определении границ того, что могут вынести организмы. Сердце пустыни Атакама , которое обычно считается самым засушливым местом на Земле, похоже, не способно поддерживать жизнь, и по этой причине оно было предметом изучения НАСА и ЕКА : оно дает аналог Марса, а градиенты влажности по краям идеальны. для изучения границы между бесплодием и обитаемостью. Атакама была предметом исследования в 2003 году, которое частично имитировало эксперименты высадки викингов на Марс в 1970-х годах; нет ДНК может быть извлечена из двух образцов почвы, и инкубация Эксперименты также была отрицательной для биосигнатуры .

Экологические факторы

Два современных экологических подхода для прогнозирования потенциальной пригодности для проживания используют 19 или 20 факторов окружающей среды с упором на доступность воды, температуру, наличие питательных веществ, источник энергии и защиту от солнечного ультрафиолета и галактического космического излучения .

Альтернативные звездные системы

Определяя возможность существования внеземной жизни, астрономы давно сосредоточили свое внимание на таких звездах, как Солнце. Однако, поскольку планетные системы, напоминающие Солнечную систему, оказываются редкими, они начали исследовать возможность того, что жизнь может образоваться в системах, очень непохожих на нашу.

Бинарные системы

Типичные оценки часто предполагают, что 50% или более всех звездных систем являются двойными системами . Частично это может быть смещением выборки, поскольку массивные и яркие звезды обычно находятся в двойных системах, и их легче всего наблюдать и каталогизировать; более точный анализ показал, что более распространенные более слабые звезды обычно являются сингулярными, и поэтому до двух третей всех звездных систем являются одиночными.

Расстояние между звездами в двойной системе может составлять от менее одной астрономической единицы (а.е., среднее расстояние Земля – Солнце) до нескольких сотен. В последних случаях гравитационные эффекты будут незначительными на планете, вращающейся вокруг подходящей звезды, и потенциал обитаемости не будет нарушен, если орбита не будет сильно эксцентричной (см. , Например, Немезиду ). Однако там, где расстояние значительно меньше, стабильная орбита может оказаться невозможной. Если расстояние от планеты до своей главной звезды превышает примерно одну пятую от ближайшего сближения другой звезды, орбитальная стабильность не гарантируется. Долгое время было неясно, могут ли планеты образовываться в двойных системах, учитывая, что гравитационные силы могут мешать формированию планет. Теоретическая работа Алана Босса из Института Карнеги показала, что газовые гиганты могут образовываться вокруг звезд в двойных системах так же, как и вокруг одиночных звезд.

Одно исследование Альфа Центавра , ближайшей к Солнцу звездной системы, показало, что двойные системы не следует сбрасывать со счетов при поиске обитаемых планет. Центавриане A и B имеют расстояние 11 а.е. при ближайшем приближении (в среднем 23 а.е.), и оба должны иметь устойчивые жилые зоны. Исследование долгосрочной орбитальной стабильности смоделированных планет внутри системы показывает, что планеты в пределах примерно трех а.е. от любой звезды могут оставаться довольно стабильными (т.е. большая полуось отклоняется менее чем на 5% в течение 32 000 бинарных периодов). Непрерывная обитаемая зона (CHZ в течение 4,5 миллиардов лет) для Центавра A по консервативным оценкам составляет от 1,2 до 1,3 а.е. и Центавра B от 0,73 до 0,74 - в обоих случаях вполне в пределах стабильной области.

Системы красных карликов

Относительные размеры звезд и температуры фотосфер . Любая планета вокруг красного карлика, такого как показанная здесь ( Gliese 229A ), должна была бы сжаться близко, чтобы достичь температуры, подобной земной, что, вероятно, вызовет приливную блокировку. См. Аурелию . Предоставлено: MPIA / V. Йоргенс.

Определение обитаемости красных карликов может помочь определить, насколько обычной может быть жизнь во Вселенной, поскольку красные карлики составляют от 70 до 90% всех звезд в галактике.

Размер

Астрономы в течение многих лет исключали красные карлики как потенциальные жилища для жизни. Их небольшой размер (от 0,08 до 0,45 солнечной массы) означает, что их ядерные реакции протекают исключительно медленно, и они излучают очень мало света (от 3% света, производимого Солнцем, до всего 0,01%). Любая планета, находящаяся на орбите вокруг красного карлика, должна прижаться очень близко к своей родительской звезде, чтобы достичь температуры поверхности, подобной земной; от 0,3 а.е. (внутри орбиты Меркурия ) для звезды, подобной Лакайле 8760 , до всего 0,032 а.е. для звезды, подобной Проксиме Центавра (в таком мире год длился бы всего 6,3 дня). На таких расстояниях гравитация звезды вызовет приливную блокировку. Одна сторона планеты всегда будет обращена к звезде, а другая - в противоположную от нее. Единственные способы, которыми потенциальная жизнь могла бы избежать или ада, или глубокого замораживания, заключались бы в том, если бы планета имела атмосферу, достаточно толстую, чтобы передавать тепло звезды с дневной стороны на ночную сторону, или если бы в жилых помещениях существовал газовый гигант. зона с пригодной для жизни луной , которая будет привязана к планете вместо звезды, что позволит более равномерно распределить радиацию по планете. Долгое время считалось, что такая плотная атмосфера в первую очередь препятствует попаданию солнечного света на поверхность, предотвращая фотосинтез .

Изображение художника GJ 667 Cc , потенциально обитаемой планеты, вращающейся вокруг красного карлика, составляющего тройную звездную систему .

Этот пессимизм был смягчен исследованиями. Исследования Роберта Haberle и Маноджа Joshi из НАСА «ы исследовательского центра Эймса в Калифорнии, показали , что атмосфера планеты (предполагая , что он включен парниковых газов СО ₂ и Н ₂ О ) необходимо всего лишь 100 миллибар (0,10 атм), для тепла звезды в эффектно переносится на ночную сторону. Это находится в пределах уровней, необходимых для фотосинтеза, хотя вода все еще остается замороженной на темной стороне в некоторых из их моделей. Мартин Хит из Гринвичского муниципального колледжа показал, что морская вода также могла бы эффективно циркулировать без замерзания, если бы океанические бассейны были достаточно глубокими, чтобы обеспечить свободное течение под ледяной шапкой ночной стороны. Дальнейшие исследования, в том числе рассмотрение количества фотосинтетически активной радиации, показали, что планеты, находящиеся в системе красных карликов, приливно заблокированные, могут, по крайней мере, быть обитаемыми для высших растений.

Другие факторы, ограничивающие обитаемость

Однако размер - не единственный фактор, делающий красных карликов потенциально непригодными для жизни. На планете красных карликов фотосинтез на ночной стороне был бы невозможен, так как она никогда не увидит солнце. С дневной стороны, поскольку солнце не встает и не заходит, участки в тени гор останутся таковыми навсегда. Фотосинтез, как мы его понимаем, будет осложнен тем фактом, что красный карлик производит большую часть своего излучения в инфракрасном диапазоне , а на Земле этот процесс зависит от видимого света. В этом сценарии есть потенциальные положительные стороны. Например, многие наземные экосистемы полагаются на хемосинтез, а не на фотосинтез, который был бы возможен в системе красных карликов. Статическое положение основной звезды устраняет необходимость для растений направлять листья к солнцу, иметь дело с изменением оттенка / солнечного света или переходить от фотосинтеза к накопленной энергии в ночное время. Из-за отсутствия цикла день-ночь, включая слабый утренний и вечерний свет, при заданном уровне радиации будет доступно гораздо больше энергии.

Красные карлики гораздо более изменчивы и агрессивны, чем их более стабильные и большие собратья. Часто они покрыты звездными пятнами, которые в течение нескольких месяцев могут затемнять излучаемый ими свет до 40%, в то время как в другое время они испускают гигантские вспышки, которые могут удвоить свою яркость за считанные минуты. Такое изменение было бы очень разрушительным для жизни, поскольку оно не только разрушило бы любые сложные органические молекулы, которые могли бы образовать биологические предшественники, но также потому, что оно взорвало бы значительные части атмосферы планеты.

Для жизни на планете вокруг красного карлика требуется быстро вращающееся магнитное поле, защищающее ее от вспышек. Планета, заблокированная приливом, вращается очень медленно и поэтому не может создать геодинамо в своей основе. Период неистовых вспышек жизненного цикла красных карликов, по оценкам, длится только примерно первые 1,2 миллиарда лет его существования. Если планета образуется далеко от красного карлика, чтобы избежать приливной блокировки, а затем мигрирует в обитаемую зону звезды после этого бурного начального периода, возможно, у жизни появится шанс развиться. Однако, учитывая свой возраст, 7–12 миллиардов лет, звезда Барнарда значительно старше Солнца. Долгое время считалось, что он находится в состоянии покоя с точки зрения звездной активности. Тем не менее, в 1998 году астрономы наблюдали интенсивную звездную вспышку , что неожиданно показало, что звезда Барнарда, несмотря на свой возраст, является вспышкой .

Долголетие и повсеместность

У красных карликов есть одно преимущество перед другими звездами как пристанища для жизни: гораздо большее долголетие. Потребовалось 4,5 миллиарда лет, прежде чем человечество появилось на Земле, а жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, будет находиться в подходящих условиях еще от 1 до 2,3 миллиарда лет . Красные карлики, напротив, могут жить триллионы лет, потому что их ядерные реакции намного медленнее, чем у более крупных звезд, а это означает, что жизни потребуется больше времени, чтобы эволюционировать и выжить.

Хотя вероятность найти планету в обитаемой зоне вокруг любого конкретного красного карлика невелика, общее количество обитаемой зоны вокруг всех красных карликов вместе взятых равно общему количеству вокруг звезд, подобных Солнцу, с учетом их повсеместности. Более того, это общее количество обитаемой зоны будет длиться дольше, потому что красные карлики живут сотни миллиардов лет или даже дольше на главной последовательности. Однако в сочетании с вышеуказанными недостатками более вероятно, что красные карлики будут дольше оставаться обитаемыми для микробов, в то время как более короткоживущие желтые карлики, такие как Солнце, будут оставаться обитаемыми дольше для животных.

Массивные звезды

Недавние исследования показывают, что очень большие звезды, более ~ 100 солнечных масс, могут иметь планетные системы, состоящие из сотен планет размером с Меркурий в пределах обитаемой зоны. В таких системах также могут быть коричневые карлики и маломассивные звезды (~ 0,1–0,3 массы Солнца). Однако очень короткая продолжительность жизни звезд с массой более нескольких солнечных масс едва ли дала бы планете время остыть, не говоря уже о времени, необходимом для развития стабильной биосферы. Таким образом, массивные звезды исключаются как возможные жилища на всю жизнь.

Однако массивная звездная система могла быть прародительницей жизни другим способом - взрыв сверхновой массивной звезды в центральной части системы. Эта сверхновая будет рассеивать более тяжелые элементы по всей своей окрестности, создаваемые во время фазы, когда массивная звезда отошла от главной последовательности, и системы потенциальных маломассивных звезд (которые все еще находятся на главной последовательности) внутри бывшей массивной звезды. Звездная система может быть обогащена относительно большим запасом тяжелых элементов, так близко к взрыву сверхновой. Тем не менее, это ничего не говорит о том, какие типы планет могут образоваться в результате образования сверхновой звезды или каков будет их потенциал обитаемости.

Четыре класса обитаемых планет на основе воды

В обзоре факторов, которые важны для эволюции обитаемых планет размером с Землю, Ламмер и др. предложила классификацию четырех водозависимых типов местообитаний:

Среда обитания класса I - это планетные тела, на которых звездные и геофизические условия позволяют жидкой воде быть доступной на поверхности вместе с солнечным светом, так что могут возникнуть сложные многоклеточные организмы .

Среды обитания класса II включают тела, которые изначально находятся в земных условиях, но не сохраняют способность поддерживать жидкую воду на своей поверхности из-за звездных или геофизических условий. Марс и, возможно, Венера являются примерами этого класса, в котором сложные формы жизни могут не развиваться.

Среда обитания класса III - это планетарные тела, где жидкие водные океаны существуют под поверхностью, где они могут напрямую взаимодействовать с богатым силикатом ядром .

Такую ситуацию можно ожидать на богатых водой планетах, расположенных слишком далеко от своей звезды, чтобы позволить поверхностной жидкой воде, но на которых подземная вода находится в жидкой форме из-за геотермального тепла . Двумя примерами такой среды являются Европа и Энцелад . В таких мирах не только свет недоступен в качестве источника энергии, но и органический материал, принесенный метеоритами (который, как считается, был необходим для зарождения жизни в некоторых сценариях), не может легко достичь жидкой воды. Если бы планета могла питать жизнь только под своей поверхностью, биосфера вряд ли изменила бы всю планетную среду наблюдаемым образом, поэтому обнаружение ее присутствия на экзопланете было бы чрезвычайно трудным.

Среды обитания класса IV имеют жидкие слои воды между двумя слоями льда или жидкости над льдом.

Если слой воды достаточно толстый, вода в его основании будет находиться в твердой фазе (ледяные полиморфы) из-за высокого давления. Ганимед и Каллисто - вероятные примеры этого класса. Считается, что их океаны заключены между толстыми слоями льда. В таких условиях появление даже простых форм жизни может быть очень трудным, потому что необходимые для жизни ингредиенты, скорее всего, будут полностью разбавлены.

Галактическое соседство

Помимо характеристик планет и их звездных систем, более широкая галактическая среда также может влиять на обитаемость. Ученые рассматривали возможность того, что определенные области галактик ( галактические обитаемые зоны ) лучше подходят для жизни, чем другие; Солнечная система, в которой мы живем, в отроге Ориона , на краю галактики Млечный Путь, считается благоприятным для жизни местом:

• Это не шаровое скопление, где огромная плотность звезд враждебна жизни из-за чрезмерного излучения и гравитационных возмущений. Шаровые скопления также в основном состоят из более старых, вероятно, бедных металлами звезд. Кроме того, в шаровых скоплениях большой возраст звезд будет означать значительный объем звездной эволюции хозяина или других близлежащих звезд, которые из-за их близости могут нанести огромный вред жизни на любых планетах, при условии, что они могут образоваться.
• Это не рядом с активным источником гамма-излучения .
• Это не близко к центру галактики, где плотность звезд снова увеличивает вероятность ионизирующего излучения (например, от магнетаров и сверхновых ). Сверхмассивная черная дыра также полагают, лежат в середине галактики , которые могли бы доказать опасность для любых близлежащих органов.
• Круговая орбита Солнца вокруг галактического центра не позволяет ему попадать в спиральные рукава галактики, где интенсивное излучение и гравитация могут снова привести к разрушению.

Таким образом, относительная изоляция - это, в конечном счете, то, что необходимо системе, несущей жизнь. Если бы Солнце было тесно среди других систем, шанс оказаться смертельно близко к опасным источникам излучения значительно увеличился бы. Кроме того, близкие соседи могут нарушить стабильность различных движущихся по орбите тел, таких как облако Оорта и объекты пояса Койпера , что может привести к катастрофе, если попадет во внутреннюю часть Солнечной системы.

В то время как скопление звезд неблагоприятно для обитаемости, крайняя изоляция тоже. Такая богатая металлами звезда, как Солнце, вероятно, не образовалась бы в самых отдаленных областях Млечного Пути, учитывая снижение относительного содержания металлов и общее отсутствие звездообразования. Таким образом, «пригородное» местоположение, такое как Солнечная система, предпочтительнее центра или самых дальних уголков Галактики.

Прочие соображения

Альтернативные биохимии

В то время как большинство исследований внеземной жизни начинается с предположения, что развитые формы жизни должны иметь такие же требования к жизни, как и на Земле, гипотеза других типов биохимии предполагает возможность эволюции форм жизни вокруг другого метаболического механизма. В Развиваясь инопланетного , биолог Джек Коэн и математик Ян Стюарт утверждают , астробиология , на основе редкой гипотезы Земли , носит ограничительный характер и прозаическая. Они предполагают, что планеты земного типа могут быть очень редкими, но сложная жизнь, не основанная на углероде, может возникнуть и в других средах. Наиболее часто упоминаемой альтернативой углю является жизнь на основе кремния , в то время как аммиак и углеводороды иногда предлагаются в качестве альтернативных растворителей воде. Астробиолог Дирк Шульце-Макух и другие ученые предложили индекс пригодности планеты, критерии которого включают «способность удерживать жидкий растворитель», который не обязательно ограничивается водой.

Более спекулятивные идеи сосредоточились на телах, совершенно отличных от планет земного типа. Астроном Фрэнк Дрейк , известный сторонник поиска внеземной жизни , вообразил жизнь на нейтронной звезде : субмикроскопические «ядерные молекулы», объединяющиеся, чтобы сформировать существ, жизненный цикл которых в миллионы раз быстрее, чем у земной жизни. Эта идея, получившая название «творческой и насмешливой», породила научные фантастические изображения. Карл Саган , еще один оптимист в отношении внеземной жизни, рассматривал возможность существования организмов, которые всегда находятся в воздухе в верхних слоях атмосферы Юпитера в статье 1976 года. Коэн и Стюарт также представляли жизнь как в солнечной среде, так и в атмосфере газового гиганта.

"Добрые юпитеры"

«Хорошие юпитеры» - это газовые гиганты, подобные Юпитеру Солнечной системы , которые вращаются вокруг своих звезд по круговым орбитам, достаточно далеко от обитаемой зоны, чтобы не беспокоить ее, но достаточно близко, чтобы «защищать» планеты земной группы на более близких орбитах двумя важными способами. Во-первых, они помогают стабилизировать орбиты и, следовательно, климат внутренних планет. Во-вторых, они сохраняют внутреннюю звездную систему относительно свободной от комет и астероидов, которые могут вызвать разрушительные столкновения. Юпитер вращается вокруг Солнца на расстоянии, примерно в пять раз превышающем расстояние между Землей и Солнцем. Это приблизительное расстояние, на которое мы должны рассчитывать найти хороших Юпитеров в других местах. Роль Юпитера как «смотрителя» была наглядно проиллюстрирована в 1994 году, когда комета Шумейкера-Леви 9 столкнулась с гигантом.

Однако доказательства не совсем так однозначны. Исследования показали, что роль Юпитера в определении скорости падения объектов на Землю значительно сложнее, чем считалось ранее.

Роль Юпитера в ранней истории Солнечной системы установлена ​​несколько лучше и вызывает значительно меньше споров. В начале истории Солнечной системы считается, что Юпитер сыграл важную роль в гидратации нашей планеты: он увеличил эксцентриситет орбит пояса астероидов и позволил многим пересечь орбиту Земли и снабдить планету важными летучими веществами, такими как вода и углерод. диоксид. Прежде чем Земля достигла половины своей нынешней массы, ледяные тела из области Юпитер-Сатурн и небольшие тела из первичного пояса астероидов поставляли воду на Землю из-за гравитационного рассеяния Юпитера и, в меньшей степени, Сатурна . Таким образом, хотя газовые гиганты сейчас являются полезными защитниками, они когда-то были поставщиками жизненно важного материала для обитания.

Напротив, тела размером с Юпитер, которые вращаются слишком близко к обитаемой зоне, но не в ней (как в 47 Ursae Majoris ), или имеют очень эллиптическую орбиту, пересекающую обитаемую зону (например, 16 Cygni B ), очень затрудняют перемещение независимая планета земного типа, существующая в системе. См. Обсуждение стабильной жилой зоны выше. Однако в процессе миграции в обитаемую зону планета размером с Юпитер может захватить планету земного типа как луну. Даже если такая планета изначально слабо связана и движется по сильно наклоненной орбите, гравитационные взаимодействия со звездой могут стабилизировать новолуние на близкой круговой орбите, которая копланарна орбите планеты вокруг звезды.

Влияние жизни на обитаемость

Дополнением к факторам, поддерживающим возникновение жизни, является представление о том, что сама жизнь, однажды сформировавшись, сама по себе становится фактором обитаемости. Важным примером Земли было производство газообразного молекулярного кислорода ( O
₂) древними цианобактериями и, в конечном итоге, фотосинтезирующими растениями, что привело к радикальному изменению состава атмосферы Земли. Это изменение окружающей среды называется Великим событием оксигенации . Этот кислород оказался фундаментальным для дыхания более поздних видов животных. Гипотеза Гайи , научная модель геобиосферы, впервые предложенная Джеймсом Лавлоком в 1975 году, утверждает, что жизнь в целом создает и поддерживает подходящие условия для себя, помогая создать планетарную среду, подходящую для ее непрерывности. Точно так же Дэвид Гринспун предложил «гипотезу живых миров», в которой наше понимание того, что составляет обитаемость, не может быть отделено от жизни, уже существующей на планете. Планеты, которые являются геологически и метеорологически живыми, с гораздо большей вероятностью будут также биологически живыми, и «планета и ее жизнь будут эволюционировать совместно». Это основа науки о Земле .

Роль случая

Зеленые точки представляют собой смоделированные естественные планеты, которые оставались обитаемыми в течение 3 млрд сим. лет, а) разные сим. планеты управляются один раз; б) повторное прохождение этих 1000 планет, показывающее 1,5% × 39% вероятность того, что эти планеты неоднократно останутся обитаемыми.

В 2020 году компьютерное моделирование эволюции климата планеты за 3 миллиарда лет показало, что обратная связь является необходимым, но не достаточным условием для предотвращения того, чтобы планеты когда-либо становились слишком горячими или холодными для жизни, и что шанс также играет решающую роль. Связанные с этим соображения включают еще неизвестные факторы, влияющие на термическую обитаемость планет, такие как «механизм (или механизмы) обратной связи, который предотвращает изменение климата до фатальных температур».

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Библиография

• Уорд, Питер; Браунли, Дональд (2000). Редкая земля: почему сложная жизнь необычна во Вселенной . Springer. ISBN 978-0-387-98701-9.

дальнейшее чтение

• Коэн, Джек и Ян Стюарт. Развитие пришельца: наука о внеземной жизни , Ebury Press, 2002. ISBN  0-09-187927-2
• Доул, Стивен Х. (1965). Обитаемые планеты для человека (1-е изд.). Rand Corporation. ISBN 978-0-444-00092-7.
• Фогг, Мартин Дж., Изд. "Терраформирование" (весь специальный выпуск) Журнал Британского межпланетного общества , апрель 1991 г.
• Фогг, Мартин Дж. Терраформирование: разработка планетных сред , SAE International, 1995. ISBN  1-56091-609-5
• Гонсалес, Гильермо и Ричардс, Джей В. Привилегированная планета , Регнери, 2004. ISBN  0-89526-065-4
• Гринспун, Дэвид. Одинокие планеты: естественная философия инопланетной жизни , HarperCollins, 2004.
• Лавлок, Джеймс. Гайя: новый взгляд на жизнь на Земле. ISBN  0-19-286218-9
• Шмидт, Стэнли и Роберт Зубрин, ред. Острова в небе , Wiley, 1996. ISBN  0-471-13561-5
• Уэбб, Стивен, Если Вселенная кишит инопланетянами ... Где все? Пятьдесят решений парадокса Ферми и проблемы внеземной жизни Нью-Йорк: январь 2002 г. ISBN  Springer-Verlag 978-0-387-95501-8

внешние ссылки

Послушайте эту статью ( 32 минуты )

Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 22 января 2006 г. и не отражает последующих правок. ( 2006-01-22 )

( Аудио справка  · Больше устных статей )

• Группа планетарных наук и обитаемости, Испанский исследовательский совет
• Галерея обитаемой зоны
• Лаборатория планетарной обитаемости (PHL / UPR Arecibo )
• Каталог обитаемых экзопланет (PHL / UPR Arecibo )
• Энциклопедия Дэвида Дарлинга
• Общая астробиология
• Солнечная станция