Какво точно прави една екзопланета „обитаема“?

Една от най-вълнуващите теми в астрономията днес е търсенето на екзопланети или планети извън нашата слънчева система. До момента сме открили над 5000 екзопланети, като всяка година се откриват повече. И свещеният граал на изследването на екзопланетите е намирането на обитаеми планети, където можем да търсим живот извън нашата собствена планета.

Ако се интересувате от астрономия, вероятно сте виждали новинарски заглавия за обитаеми екзопланети, които са открити чрез мисии като космическия телескоп Кеплер на НАСА или сателита за изследване на транзитната екзопланета (TESS). Тези планети обикновено са подобни на Земята и може да имат течна вода на повърхността си и се смята, че потенциално могат да поддържат живот. Но как можем да разберем дали една планета е обитаема от милиони километри? И какво точно имаме предвид под обитаем?

Разговаряхме с експерта по обитаемост Абел Мендес от лабораторията за планетарна обитаемост в Университета на Пуерто Рико в Аресибо, който ни каза, че обитаемостта е много по-сложна от вас може да мисли.

Обитаемостта не е двоична

Начинът, по който повечето хора говорят за обитаемостта, е сякаш това е двоично състояние. Или една планета е обитаема, или не е. Но когато се замислите задълбочено върху проблема, става ясно, че това определение няма да свърши работа. Имаме ли предвид обитаеми като способни да поддържат човешки живот? Или микробен живот? Имаме ли предвид, че това е удобна среда за успешен живот или такава, в която оцеляването е трудно, но теоретично възможно? Имаме ли предвид, че животът може да се е развил в тази среда или че ако животът пристигне там, той може да оцелее?

Няма ясен отговор на тези въпроси, поради което е грешка да се мисли за обитаемостта като въпрос с да/не. Вместо това трябва да мислим за обитаемостта като мярка за годност за определен тип живот.

Това объркване не съществува само сред членовете на обществеността. Мендес каза, че липсва консенсус сред учените относно това какво означава и обитаемостта. Това е „натоварена дума“, каза той, „защото в обичайните ни разговори обитаемостта означава обитаемост за хора.” Но когато гледаме други планети, не мислим само за хората, но и за други видове на живота.

През цялото време, докато астробиолозите се чудеха за обитаемостта на екзопланетите, това се обърна имаше друга група хора, които са мислили за обитаемостта от десетилетия: Еколози. Еколозите говорят за „пригодност на местообитанията“ на средата тук на Земята – като например, пригодността на определена среда за процъфтяване на определен тип живот. Това е точно това, което астробиологичната общност се опитваше да постигне с изследването си на екзопланети.

В началото на изследването си по темата Мендес се натъкна на тази екологична работа, той каза: „Разбрах, че това, което хората в полето на астробиологията, което се опитваха да направят – да определят и количествено определят обитаемостта – вече беше направено преди десетилетия от еколозите.

Ами обитаемата зона?

Следователно проблемът не е да се определи дали една екзопланета е или не е обитаема, а по-скоро да се определи какви характеристики биха я направили подходяща за видове живот.

Едно относително лесно място за започване е с изискването за наличие на течна вода. Течната вода е от съществено значение за почти всички форми на живот, както го познаваме, поради свойствата му на разтворител. Много неща се разтварят във вода, което означава, че е добре за смесване на нещата, което позволява химически реакции. Той също така играе важна роля в начина, по който функционират ензимите. Така че, когато учените са си представили изискванията за обитаема екзопланета, наличието на течна вода е в горната част на списъка.

Това ни дава идеята за „обитаемата зона“. Това е регион около звезда, където се смята, че една планета би била с правилната температура, за да има течна вода на повърхността си. Ако трябваше да намерим Земеподобна планета в обитаемата зона на звезда разсъжденията гласят, че щяхме да намерим добра отправна точка за търсене на живот.

Да бъдеш в обитаемата зона обаче не е всичко и край на обитаемостта. Това е само едно основно изискване. И, казва Мендес, терминът е причинил „много объркване“, защото често астрономите ще кажат, че една планета е обитаема, когато имат предвид, че е в обитаемата зона. Той предпочита термина „потенциално обитаем“, за да стане ясно, че това далеч не е решен въпрос.

Фактори за обитаемост

Добре, така че течната вода е задължителна. Какво друго е необходимо на една планета за живот? Имаме солидно разбиране за това въз основа на форми на живот от тук на Земята. Когато става въпрос за оценка на обитаемостта на екзопланети, астробиолозите искат да знаят за фактори като планетата масата и радиуса, както и температурата на повърхността, налягането и частта от планетата, която е покрита вода.

Предизвикателство е да се определят тези фактори за дадена екзопланета. За повечето екзопланети, открити сега, можем да знаем фактори като техния орбитален период, техния радиус или маса и техния звезден поток, което е количеството радиация, което те получават от своята звезда-домакин. Но за да знаем повърхностната им температура или налягане, например, трябва да знаем за техните атмосфери.

За да разберете защо, погледнете нашата собствена слънчева система. Венера има най-високата повърхностна температура в Слънчевата система, въпреки че е по-далеч от слънцето от Меркурий. Това е така, защото Венера има изключително плътна атмосфера, която улавя топлината и повишава температурата на повърхността. Извънземен астробиолог, който гледа нашата слънчева система, може да не знае колко гореща е Венера, защото това не се вижда от разстояние.

Бъдещата работа, извършена от телескопи като космическия телескоп Джеймс Уеб, ще ни позволи да научим повече за атмосфери на екзопланети, но засега учените трябва да изчислят повърхностните температури.

Количеството повърхност, покрита с вода, също е важно. Наречено океанска фракция, това има значение, защото динамична природа на океаните прави ги чудесни в транспортирането на хранителни вещества около планетата, за да направят мястото по-гостоприемно за живот.

В момента не разполагаме с инструменти, способни да измерват океанската част от екзопланетите. Има обаче идеи за бъдещи телескопи които биха могли да видят как количеството светлина, отразено от екзопланета, се променя, докато се върти, което може да покаже количеството океан, покриващо нейната повърхност.

Въпреки всички сложности при определянето на тези фактори, Мендес смята, че науката за екзопланетите се развива толкова бързо, че ще можем да ги измерим през следващите двадесет години. „Десет години за измервания на атмосферата с различни инструменти, след това десет години за нови телескопи, които ще могат да виждат планетите поотделно и да измерват фракцията на океана“, прогнозира той.

Каталог на потенциално обитаеми екзопланети

Да можеш да изучаваш екзопланети толкова подробно през следващите десетилетия е вълнуващо, но учените също искат да изучават потенциално обитаеми екзопланети сега. Поради тази причина групата на Мендес поддържа Каталог на обитаемите екзопланети, който е списък на всички потенциално обитаеми екзопланети, открити до момента.

За да бъде включена в каталога, една планета трябва да е приблизително колкото Земята и да орбитира в обитаемата зона на своята звезда. Но за да се вземат предвид многото фактори, които все още не можем да знаем за тези екзопланети, има два различни критерия за средните размери на Земята. Каталогът има както консервативен списък, който изброява планети до 1,6 пъти радиуса на Земята, така и три пъти нейната маса и оптимистичен списък, който включва планети с до 2,5 радиуса на Земята или 10 пъти нейния маса.

Това е така, защото когато търсим потенциална обитаемост, ние търсим скалисти планети като Земята, а не газови планети. Екзопланетите с ниска плътност, като газовите гиганти, не са добри за живот, защото не могат да се задържат хранителните вещества, които трябва да бъдат налични за живота – същата причина, поради която не намирате живот в облаците Земята. Планетите с размер приблизително два пъти по-големи от Земята ще бъдат скалисти планети, но планетите, по-големи от това, могат да бъдат от тип, наречен мини Нептун или газово джудже, което е малко вероятно да поддържа живот.

С над 5000 потвърдени екзопланети може да си представите, че каталогът ще изброява стотици кандидати за обитаемост, но всъщност са сравнително малко – само 21 в консервативния списък и още 38 в оптимистичния списък.

Краткостта на списъка може да се дължи отчасти на това, че много методи за откриване на екзопланети са по-добри при намирането на по-големи екзопланети отколкото по-малките – най-общо казано е по-лесно да забележите нещо, което е по-голямо – и някои изследвания показват, че може да бъде милиарди подобни на Земята планети в нашата галактика. Но засега броят на екзопланетите, които можем да посочим, които отговарят на най-основните критерии за потенциална обитаемост, остава малък.

Къде да търсим живот сега

Разбира се, фактът, че има малко потенциално обитаеми екзопланети, за които знаем, не означава, че трябва да се откажем да търсим живот другаде. В известен смисъл това прави вземането на решение за изследователски цели по-лесно, когато имате системи като TRAPPIST-1, за който се смята, че съдържа до четири потенциално обитаеми екзопланети и който ще бъде ключова цел за предстоящата научна работа на Космически телескоп Джеймс Уеб.

Всички тези дискусии относно обитаемостта се обръщат към идеята, че ако има живот другаде във Вселената, той ще бъде поне сравним с живота тук на Земята. Когато говорим за изисквания за вода или определени хранителни вещества, ние базираме това на живота, който сме наблюдавали на нашата планета. Предполагаме, че другаде ще има живот, какъвто го познаваме, но със сигурност е възможно някъде там да има живот в напълно различна форма.

Въпреки че учените признават тази възможност, те не са склонни да обръщат особено внимание на концепцията, тъй като тя не е практически полезна за изследване. „Няма да разпознаете живота, тъй като ние не го познаваме“, посочи Мендес, така че това не е нещо, което можем да търсим.

Търсим живот в нашата собствена слънчева система

Някои изследователи твърдят, че вместо да търсим екзопланети, бихме могли да търсим в собствената си слънчева система потенциално обитаеми светове – места като луната на Сатурн Енцелад или луната на Юпитер Европа. Въпреки че са твърде далеч от слънцето, за да имат течна вода на повърхността си, и двете се смята, че имат течни соленоводни океани под ледени кори.

Но Мендес не е убеден, че тези места са много обещаващи места за живот заради тези ледени кори. Тези корички блокират достъпа до каквато и да е атмосфера и предотвратяват преноса на енергия от повърхността, което я прави неподходяща за поддържане на живота. „Това е по-лошо от дълбоките океани на нашата планета. Това е много по-лошо от всичко на Земята“, каза той. „Не мисля, че там ще живее нещо извън микробния живот.“

Дори намирането на микробен живот извън Земята би било изключително вълнуващо, оттук и целта на мисии като марсохода Perseverance да търсят доказателства за древен живот на Марс. Но Марс не е точно гостоприемен днес, въпреки че можеше да е бил в един момент в миналото си. Проучванията за обитаемост на околната среда на Марс не обещават нищо да е оцеляло там днес: „Ние изчислено, че повърхността на Марс е хиляда пъти по-лоша от пустинята Атакама“, за поддържане на живота, Мендес казах.

Напред към Марс

Въпреки резервите си относно сухите условия на Марс, Мендес е прагматичен за това къде можем да намерим доказателства за живот, ако съществува. „Ако трябва да залагам къде ще можем да намерим живот, бих заложил на Марс“, каза той, „въпреки че обичам екзопланетите повече!“ Това е заради проблема с откриването. Ако искате да знаете, че дадена планета е не само потенциално обитаема, но всъщност е домакин на живот, имате нужда от доказателство – и това доказателство е изключително трудно да се получи от голямо разстояние.

С мисиите за връщане на проби, планирани за Марс през следващите десетилетия, надпреварата е в ход да върнем част от Марс обратно на Земята за изследване. Тези проби са най-добрият ни шанс за определено откриване на живот. „Определеният отговор ще дойде, ако имате проба тук на Земята, защото търсите микробен живот в много малки количества“, обясни той.

Сценарият на мечтаното изследване би бил да се събере проба от среда на Марс, която би могла да бъде обитаема по земните стандарти, като водоносен хоризонт. Ако намерим доказателства за живот в такава среда, това би било чудесно – щяхме да открием, че нашата планета не е единствената, на която има живот.

Но Мендес казва, че неоткриването на никакви доказателства за живот в такава среда би било също толкова вълнуващо. „Ако намерим обитаемо място по земните стандарти и там няма живот, това ще бъде невероятно и интригуващо“, каза той. "Какво се обърка? Какво стана? Защо няма живот?" Като се има предвид, че животът съществува в такова голямо разнообразие от среди на Земята и ние знаем че Земята и Марс са споделяли материал чрез сблъсъци, би било наистина странно, ако животът беше ограничен до нашите планета.

„Би било голямо откровение да намерим живот, но отрицателният резултат би бил още по-дълбок“, каза Мендес. „Няма начин да сбъркате тук. Това е печеливша ситуация. Отговорът е на Марс, той е точно там. И всеки отговор е дълбок.”

Препоръки на редакторите

• Ето защо учените смятат, че животът може да е процъфтявал на „адската планета“ Венера
• Астрономите забелязват екзопланета, създаваща спирални ръкави около своята звезда
• Европейският космически кораб BepiColombo прави днес третия си полет край Меркурий
• Тази екзопланета е над 2000 градуса по Целзий и има изпарен метал в атмосферата си
• Търсенето на обитаеми луни в Слънчевата система се загрява