Co dokładnie sprawia, że ​​egzoplaneta „nadaje się do zamieszkania”?

Jednym z najbardziej ekscytujących tematów współczesnej astronomii jest poszukiwanie egzoplanet, czyli planet poza Układem Słonecznym. Do tej pory znaleźliśmy ponad 5000 egzoplanet, a każdego roku odkrywane są kolejne. A świętym Graalem badań nad egzoplanetami jest znalezienie planet nadających się do zamieszkania, na których moglibyśmy szukać życia poza naszą własną planetą.

Jeśli interesujesz się astronomią, prawdopodobnie widziałeś nagłówki wiadomości na temat odkryto nadające się do zamieszkania egzoplanety przez misje, takie jak Kosmiczny Teleskop Keplera NASA lub Tranzytujący Exoplanet Survey Satellite (TESS). Te planety są typowo podobne do Ziemi i mogą mieć wodę w stanie ciekłym na swojej powierzchni, i uważa się, że mogą potencjalnie podtrzymywać życie. Ale jak możemy stwierdzić, czy planeta nadaje się do zamieszkania z odległości milionów kilometrów? A co właściwie rozumiemy przez nadające się do zamieszkania?

Rozmawialiśmy z ekspertem od zamieszkiwania Abelem Méndezem z Planetary Habitability Laboratory w University of Puerto Rico w Arecibo, który powiedział nam, że zamieszkiwanie jest o wiele bardziej skomplikowane niż wy może pomyśleć.

Możliwość zamieszkania nie jest binarna

Sposób, w jaki większość ludzi mówi o zamieszkiwaniu, przypomina stan binarny. Albo planeta nadaje się do zamieszkania, albo nie. Ale kiedy głębiej zastanowisz się nad tym problemem, staje się jasne, że ta definicja nie wystarczy. Czy mamy na myśli nadający się do zamieszkania jako zdolny do podtrzymania ludzkiego życia? Albo życie mikrobiologiczne? Czy mamy na myśli, że jest to wygodne środowisko do pomyślnego życia, czy takie, w którym przetrwanie jest trudne, ale teoretycznie możliwe? Czy mamy na myśli to, że życie mogło wyewoluować w takim środowisku, czy też jeśli życie tam dotarło, mogłoby przetrwać?

Nie ma jasnej odpowiedzi na te pytania, dlatego błędem jest myślenie o możliwości zamieszkania jako o pytaniu tak/nie. Zamiast tego powinniśmy myśleć o zamieszkiwaniu jako o miarce przydatności do określonego typu życia.

To zamieszanie istnieje nie tylko wśród członków społeczeństwa. Méndez powiedział, że wśród naukowców brakuje konsensusu co do tego, co oznacza również możliwość zamieszkania. To „ładne słowo”, powiedział, „ponieważ w naszych zwykłych rozmowach zamieszkanie oznacza zamieszkanie dla ludzie. Ale kiedy patrzymy na inne planety, myślimy nie tylko o ludziach, ale także o innych rodzajach życia.

Przez cały czas, gdy astrobiolodzy zastanawiali się nad przydatnością egzoplanet do zamieszkania, okazało się była inna grupa ludzi, którzy od dziesięcioleci myśleli o możliwości zamieszkania: Ekolodzy. Ekolodzy mówią o „przydatności siedliskowej” środowisk tutaj na Ziemi – na przykład o przydatności określonego środowiska do rozwoju określonego rodzaju życia. Właśnie to społeczność astrobiologów próbowała osiągnąć dzięki swoim badaniom egzoplanet.

Na początku swoich badań nad tym tematem Méndez natknął się na tę pracę ekologiczną i powiedział: „Zdałem sobie sprawę, że to, co ludzie w dziedzina astrobiologii próbowała zrobić – zdefiniować i określić ilościowo zamieszkiwalność – zostało już zrobione dziesiątki lat temu przez ekologów”.

Co ze strefą mieszkalną?

Problem nie polega zatem na określeniu, czy egzoplaneta nadaje się do zamieszkania, ale raczej na określeniu, jakie cechy sprawiłyby, że byłaby odpowiednia dla typów życia.

Jednym ze stosunkowo łatwych miejsc do rozpoczęcia jest wymóg dostępności wody w stanie ciekłym. Woda w stanie ciekłym jest niezbędna dla prawie wszystkich form życia, jakie znamy, ze względu na jego właściwości rozpuszczające. Wiele rzeczy rozpuszcza się w wodzie, co oznacza, że ​​dobrze się miesza, co umożliwia reakcje chemiczne. Odgrywa również ważną rolę w sposobie działania enzymów. Kiedy więc naukowcy wyobrazili sobie wymagania egzoplanety nadającej się do zamieszkania, dostępność wody w stanie ciekłym znajduje się na szczycie listy.

To właśnie daje nam pojęcie „strefy nadającej się do zamieszkania”. Jest to obszar wokół gwiazdy, w którym szacuje się, że planeta miałaby odpowiednią temperaturę, aby na jej powierzchni znajdowała się woda w stanie ciekłym. Gdybyśmy znaleźli Planeta podobna do Ziemi w ekosferze gwiazdy rozumowanie jest takie, że znaleźlibyśmy dobry punkt wyjścia do poszukiwania życia.

Jednak przebywanie w strefie nadającej się do zamieszkania nie jest ostatecznym celem zamieszkiwania. To tylko jeden podstawowy wymóg. I, jak mówi Méndez, termin ten spowodował „wiele zamieszania”, ponieważ astronomowie często mówią, że planeta nadaje się do zamieszkania, gdy mają na myśli, że znajduje się w strefie nadającej się do zamieszkania. Woli termin „potencjalnie nadający się do zamieszkania”, aby wyjaśnić, że nie jest to kwestia rozstrzygnięta.

Czynniki zamieszkiwania

Ok, więc płynna woda jest koniecznością. Co jeszcze jest potrzebne, aby na planecie pojawiło się życie? Mamy solidne zrozumienie tego oparte na formach życia z Ziemi. Jeśli chodzi o ocenę zdatności egzoplanet do zamieszkania, astrobiolodzy chcą wiedzieć o takich czynnikach, jak masa i promień, a także temperatura powierzchni, ciśnienie i ułamek planety, który jest pokryty woda.

Trudno jest określić te czynniki dla dowolnej egzoplanety. W przypadku większości odkrytych obecnie egzoplanet możemy poznać takie czynniki, jak ich okres obiegu, promień lub masa oraz ich strumień gwiazdowy, czyli ilość promieniowania, jaką otrzymują od swojej gwiazdy macierzystej. Ale aby poznać na przykład temperaturę lub ciśnienie na ich powierzchni, musielibyśmy wiedzieć o ich atmosferach.

Aby zrozumieć dlaczego, spójrz na nasz własny układ słoneczny. Wenus ma najwyższą temperaturę powierzchniową w Układzie Słonecznym, mimo że jest dalej od Słońca niż Merkury. To dlatego, że Wenus ma niezwykle gęstą atmosferę, która zatrzymuje ciepło i podnosi temperaturę powierzchni. Obcy astrobiolog patrzący na nasz Układ Słoneczny może nie wiedzieć, jak gorąca była Wenus, ponieważ nie jest to oczywiste z daleka.

Przyszłe prace wykonane przez teleskopy, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, pozwolą nam dowiedzieć się więcej atmosfery egzoplanet, ale na razie naukowcy muszą oszacować temperatury powierzchni.

Ważna jest również ilość powierzchni pokrytej wodą. Nazywana frakcją oceaniczną, ma to znaczenie, ponieważ dynamiczny charakter oceanów sprawia, że ​​świetnie transportują składniki odżywcze wokół planety, czyniąc to miejsce bardziej przyjaznym dla życia.

Obecnie nie mamy instrumentów zdolnych do pomiaru frakcji oceanicznej egzoplanet. Jednak istnieją pomysły na przyszłe teleskopy który mógłby przyjrzeć się, jak zmienia się ilość światła odbijanego przez egzoplanetę podczas jej obrotu, co może wskazywać na ilość oceanu pokrywającego jej powierzchnię.

Pomimo całej złożoności w określaniu tych czynników, Méndez uważa, że ​​nauka o egzoplanetach rozwija się tak szybko, że będziemy w stanie je zmierzyć w ciągu najbliższych dwudziestu lat. „Dziesięć lat na pomiary atmosfery za pomocą różnych instrumentów, a następnie dziesięć lat na nowe teleskopy, które będą w stanie widzieć poszczególne planety i mierzyć frakcję oceanów” – przewidział.

Katalog potencjalnie nadających się do zamieszkania egzoplanet

Możliwość tak szczegółowego badania egzoplanet w przyszłych dziesięcioleciach jest ekscytująca, ale naukowcy chcą również badać egzoplanety potencjalnie nadające się do zamieszkania już teraz. Z tego powodu grupa Méndeza utrzymuje tzw Katalog nadających się do zamieszkania egzoplanet, która jest listą wszystkich potencjalnie nadających się do zamieszkania egzoplanet odkrytych do tej pory.

Aby znaleźć się w katalogu, planeta musi być mniej więcej wielkości Ziemi i orbitować w ekosferze swojej gwiazdy. Ale aby uwzględnić wiele czynników, których nie możemy jeszcze wiedzieć o tych egzoplanetach, istnieją dwa różne kryteria dla średnich wielkości Ziemi. Katalog zawiera zarówno konserwatywną listę, która zawiera planety o promieniu do 1,6 lub 3 razy większym od Ziemi razy jej masa i optymistyczna lista, która zawiera planety o promieniu do 2,5 promienia Ziemi lub 10 razy większe od jej masy masa.

Dzieje się tak dlatego, że kiedy szukamy potencjalnej możliwości zamieszkania, szukamy planet skalistych, takich jak Ziemia, a nie planet gazowych. Egzoplanety o niskiej gęstości, takie jak gazowe olbrzymy, nie są dobre dla życia, ponieważ źle się na nich trzymają składniki odżywcze, które muszą być dostępne do życia – z tego samego powodu, dla którego nie znajdziesz życia w chmurach Ziemia. Planety do około dwóch razy większe od Ziemi będą planetami skalistymi, ale planety większe niż to mogą być typu zwanego mini Neptunem lub gazowym karłem, który prawdopodobnie nie podtrzymuje życia.

Z ponad 5000 potwierdzonych egzoplanet można sobie wyobrazić, że katalog zawiera setki kandydatów do zamieszkania, ale w rzeczywistości jest ich stosunkowo niewiele – tylko 21 na liście konserwatywnej i kolejnych 38 na liście optymistycznej.

Zwięzłość listy może częściowo wynikać z tego, że wiele metod wykrywania egzoplanet jest lepszych w znajdowaniu większych egzoplanet niż mniejsze – ogólnie rzecz biorąc, łatwiej jest dostrzec coś, co jest większe – i sugerują to niektóre badania możliwe miliardów planet podobnych do Ziemi w naszej galaktyce. Ale na razie liczba egzoplanet, które możemy wskazać, które spełniają najbardziej podstawowe kryteria potencjalnej zdatności do zamieszkania, pozostaje niska.

Gdzie teraz szukać życia

Oczywiście fakt, że istnieje niewiele potencjalnie nadających się do zamieszkania egzoplanet, o których wiemy, nie oznacza, że ​​powinniśmy zrezygnować z poszukiwania życia gdzie indziej. W pewnym sensie ułatwia to podejmowanie decyzji o celach badawczych, gdy masz takie systemy TRAPPIST-1, który, jak się uważa, zawiera aż cztery potencjalnie nadające się do zamieszkania egzoplanety i który będzie kluczowym celem nadchodzących prac naukowych Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.

Wszystkie te dyskusje na temat możliwości zamieszkania opierają się na idei, że jeśli gdzieś we wszechświecie istnieje życie, będzie ono co najmniej porównywalne z życiem na Ziemi. Kiedy mówimy o zapotrzebowaniu na wodę lub na określone składniki odżywcze, opieramy się na życiu, które zaobserwowaliśmy na naszej planecie. Zakładamy, że gdzie indziej będzie istniało życie, jakie znamy, ale z pewnością jest możliwe, że gdzieś tam może istnieć życie w zupełnie innej formie.

Chociaż naukowcy uznają tę możliwość, nie poświęcają zbytniej uwagi tej koncepcji, ponieważ nie jest ona praktycznie przydatna w badaniach. „Nie rozpoznasz życia, jakiego my nie znamy” — zauważył Méndez, więc nie jest to coś, czego moglibyśmy szukać.

Poszukiwanie życia we własnym Układzie Słonecznym

Niektórzy badacze twierdzą, że zamiast szukać egzoplanet, moglibyśmy poszukać w naszym Układzie Słonecznym potencjalnie nadających się do zamieszkania światów – miejsc takich jak księżyc Saturna Enceladus czy księżyc Jowisza Europa. Chociaż znajdują się zbyt daleko od słońca, aby na ich powierzchni znajdowała się woda w stanie ciekłym, uważa się, że pod lodową skorupą na obu znajdują się ciekłe oceany ze słoną wodą.

Ale Méndez nie jest przekonany, że te lokalizacje są bardzo obiecującymi lokalizacjami dla życia z powodu tych lodowych skorup. Te skorupy blokują dostęp do jakiejkolwiek atmosfery i uniemożliwiają przenoszenie energii z powierzchni, przez co słabo nadaje się do podtrzymywania życia. „To gorsze niż głębokie oceany na naszej planecie. To znacznie gorsze niż cokolwiek na Ziemi – powiedział. „Nie sądzę, żeby żyło tam coś poza życiem mikrobiologicznym”.

Nawet znalezienie życia mikrobiologicznego poza Ziemią byłoby niezwykle ekscytujące, stąd też celem misji takich jak łazik Perseverance jest poszukiwanie dowodów na istnienie starożytnego życia na Marsie. Ale Mars nie jest dziś zbyt gościnny, chociaż mógł być w pewnym momencie swojej przeszłości. Badania możliwości zamieszkania w środowisku Marsa nie obiecują, że cokolwiek przetrwało tam dzisiaj: „My oszacował, że powierzchnia Marsa jest tysiąc razy gorsza niż pustynia Atakama”, za podtrzymywanie życia, Méndez powiedział.

Dalej na Marsa

Pomimo swoich zastrzeżeń co do suchych warunków panujących na Marsie, Méndez pragmatycznie podchodzi do tego, gdzie możemy znaleźć dowody życia, jeśli ono istnieje. „Gdybym miał założyć się, gdzie uda nam się znaleźć życie, postawiłbym na Marsa” – powiedział – „chociaż bardziej kocham egzoplanety!” To z powodu problemu z wykrywaniem. Jeśli chcesz wiedzieć, że planeta nie tylko potencjalnie nadaje się do zamieszkania, ale faktycznie zawiera życie, potrzebujesz dowodu – a ten dowód jest niezwykle trudny do zdobycia z dużej odległości.

W związku z planowanymi misjami powrotu próbek na Marsa w następnych dziesięcioleciach, trwa wyścig o przywiezienie kawałka Marsa z powrotem na Ziemię w celu zbadania. Te próbki są naszą największą szansą na pewne wykrycie życia. „Ostateczna odpowiedź nadejdzie, jeśli masz próbkę tutaj na Ziemi, ponieważ szukasz życia mikrobiologicznego w bardzo małych ilościach” – wyjaśnił.

Wymarzony scenariusz badawczy polegałby na pobraniu próbki ze środowiska na Marsie, które mogłoby nadawać się do zamieszkania według ziemskich standardów, np warstwa wodonośna. Gdybyśmy znaleźli dowody życia w takim środowisku, byłoby wspaniale – odkrylibyśmy, że nasza planeta nie jest jedyną, na której występuje życie.

Ale Méndez mówi, że równie ekscytujące byłoby znalezienie jakichkolwiek dowodów życia w takim środowisku. „Jeśli znajdziemy miejsce nadające się do zamieszkania według ziemskich standardów i nie ma tam życia, będzie to niesamowite i intrygujące” – powiedział. "Co poszło nie tak? Co się stało? Dlaczego nie ma życia?” Biorąc pod uwagę, że życie istnieje na Ziemi w tak różnorodnych środowiskach, a my o tym wiemy że Ziemia i Mars podzieliły się materią poprzez zderzenia, byłoby naprawdę dziwne, gdyby życie ograniczało się do naszego planeta.

„Odnalezienie życia byłoby wspaniałym objawieniem, ale negatywny wynik byłby jeszcze głębszy” – powiedział Méndez. „Tutaj nie ma możliwości popełnienia błędu. To sytuacja korzystna dla obu stron. Odpowiedź jest na Marsie, właśnie tam. A każda odpowiedź jest głęboka”.

Zalecenia redaktorów

• Oto dlaczego naukowcy uważają, że życie mogło kwitnąć na „piekielnej planecie” Wenus
• Astronomowie zauważyli egzoplanetę tworzącą ramiona spiralne wokół swojej gwiazdy
• Europejska sonda kosmiczna BepiColombo wykonuje dziś trzeci przelot obok Merkurego
• Ta egzoplaneta ma ponad 2000 stopni Celsjusza, a jej atmosfera odparowała metal
• Poszukiwania nadających się do zamieszkania księżyców w Układzie Słonecznym nabierają tempa