Что именно делает экзопланету «пригодной для жизни»?

Одной из самых захватывающих тем в астрономии сегодня является поиск экзопланет или планет за пределами нашей Солнечной системы. На сегодняшний день мы обнаружили более 5000 экзопланет, и каждый год их становится больше. И святой Грааль исследования экзопланет — найти обитаемые планеты, на которых мы могли бы искать жизнь за пределами нашей собственной планеты.

Если вы интересуетесь астрономией, вы, вероятно, видели заголовки новостей о обнаружены обитаемые экзопланеты такими миссиями, как космический телескоп НАСА «Кеплер» или транзитный спутник для исследования экзопланет (TESS). Эти планеты обычно похожи на Землю и могут иметь жидкую воду на своей поверхности, и считается, что они потенциально могут поддерживать жизнь. Но как мы можем определить, пригодна ли планета для жизни, находясь за миллионы миль от нас? И что именно мы подразумеваем под обитаемым?

Мы поговорили с экспертом по обитаемости Абелем Мендесом из Лаборатории планетарной обитаемости в Университет Пуэрто-Рико в Аресибо, который сказал нам, что обитаемость намного сложнее, чем вы мог подумать.

Обитаемость не бинарна

Большинство людей говорят о обитаемости так, как если бы это было бинарное состояние. Планета либо пригодна для жизни, либо нет. Но если вдуматься в проблему глубже, становится ясно, что это определение не годится. Имеем ли мы в виду пригодные для жизни как способные поддерживать человеческую жизнь? Или микробная жизнь? Имеем ли мы в виду, что это комфортная среда для достижения успеха в жизни или среда, в которой выживание сложно, но теоретически возможно? Имеем ли мы в виду, что жизнь могла развиться в этой среде или что, если бы жизнь туда попала, она смогла бы выжить?

На эти вопросы нет четкого ответа, поэтому ошибочно думать о пригодности для жизни как о вопросе «да/нет». Вместо этого мы должны думать о обитаемости как о мере приспособленности к определенному типу жизни.

Эта путаница существует не только среди представителей общественности. Мендес сказал, что среди ученых нет единого мнения о том, что означает обитаемость. «Это громкое слово, — сказал он, — потому что в наших обычных разговорах обитаемость означает обитаемость для люди». Но когда мы смотрим на другие планеты, мы думаем не только о людях, но и о других видах жизни.

Все то время, что астробиологи интересовались обитаемостью экзопланет, оказалось, была еще одна группа людей, которые десятилетиями думали о обитаемости: Экологи. Экологи говорят о «пригодности среды обитания» здесь, на Земле, — например, о пригодности конкретной среды для процветания определенного типа жизни. Это как раз то, чего пыталось добиться сообщество астробиологов своими исследованиями экзопланет.

В начале своего исследования этой темы Мендес наткнулся на эту работу по экологии. Он сказал: «Я понял, что люди в область астробиологии, которую пытались сделать — определить и количественно оценить обитаемость — экологи уже сделали несколько десятилетий назад».

А обитаемая зона?

Таким образом, проблема заключается не в том, чтобы определить, является ли экзопланета пригодной для жизни, а скорее в том, чтобы определить, какие особенности делают ее пригодной для жизни.

Относительно легко начать с требования наличия жидкой воды. Жидкая вода необходима почти для всех форм жизни, какими мы их знаем, из-за его растворяющих свойств. Многие вещи растворяются в воде, а это означает, что она хороша для смешивания вещей, что способствует химическим реакциям. Он также играет важную роль в функционировании ферментов. Поэтому, когда ученые представили требования к обитаемой экзопланете, доступная жидкая вода оказалась в верхней части списка.

Это то, что дает нам представление о «обитаемой зоне». Это область вокруг звезды, где, по оценкам, планета будет иметь правильную температуру, чтобы на ее поверхности была жидкая вода. Если бы мы нашли Планета, похожая на Землю, в обитаемой зоне звезды рассуждая так, мы нашли бы хорошую отправную точку для поиска жизни.

Тем не менее, пребывание в обитаемой зоне — это еще не все, что нужно для обитаемости. Это всего лишь одно основное требование. И, по словам Мендеса, этот термин вызвал «много путаницы», потому что часто астрономы говорят, что планета пригодна для жизни, когда они имеют в виду, что она находится в обитаемой зоне. Он предпочитает термин «потенциально обитаемый», чтобы было ясно, что это далеко не решенный вопрос.

Факторы обитаемости

Итак, жидкая вода обязательна. Что еще нужно для жизни на планете? У нас есть твердое понимание этого, основанное на формах жизни здесь, на Земле. Когда дело доходит до оценки обитаемости экзопланет, астробиологи хотят знать о таких факторах, как размер планеты. массой и радиусом, а также температурой поверхности, давлением и долей планеты, покрытой вода.

Сложно определить эти факторы для любой экзопланеты. Для большинства экзопланет, обнаруженных сейчас, мы можем знать такие факторы, как период их обращения, их радиус или масса, а также их звездный поток, то есть количество излучения, которое они получают от своей родительской звезды. Но, например, чтобы узнать температуру или давление их поверхности, нам нужно знать об их атмосферах.

Чтобы понять почему, посмотрите на нашу Солнечную систему. У Венеры самая высокая температура поверхности в Солнечной системе, хотя она находится дальше от Солнца, чем Меркурий. Это потому, что Венера имеет чрезвычайно плотную атмосферу, которая удерживает тепло и повышает температуру поверхности. Инопланетный астробиолог, изучающий нашу солнечную систему, может не знать, насколько горячей была Венера, потому что это не очевидно на расстоянии.

Будущая работа, проделанная с помощью таких телескопов, как космический телескоп Джеймса Уэбба, позволит нам больше узнать о атмосфера экзопланеты, а пока ученые должны оценить температуру поверхности.

Важна также площадь поверхности, покрытой водой. Называется фракцией океана, это важно, потому что динамическая природа океанов делает их отличными переносчиками питательных веществ по планете, делая ее более благоприятной для жизни.

В настоящее время у нас нет инструментов, способных измерить долю экзопланет в океане. Однако есть идеи для будущих телескопов который мог бы посмотреть, как количество света, отраженного экзопланетой, изменяется по мере ее вращения, что может указывать на количество океана, покрывающего ее поверхность.

Несмотря на все сложности определения этих факторов, Мендес считает, что наука об экзопланетах развивается так быстро, что мы сможем измерить их в течение следующих двадцати лет. «Десять лет для измерений атмосферы с помощью различных инструментов, затем десять лет для новых телескопов, которые смогут видеть планеты по отдельности и измерять долю океана», — предсказал он.

Каталог потенциально обитаемых экзопланет

Возможность так подробно изучать экзопланеты в ближайшие десятилетия очень интересна, но ученые также хотят изучать потенциально обитаемые экзопланеты уже сейчас. По этой причине группа Мендеса поддерживает Каталог обитаемых экзопланет, который представляет собой список всех потенциально обитаемых экзопланет, обнаруженных на сегодняшний день.

Чтобы быть включенной в каталог, планета должна быть размером примерно с Землю и вращаться в пределах обитаемой зоны своей звезды. Но чтобы учесть многие факторы, которые мы еще не можем знать об этих экзопланетах, есть два разных критерия для среднего размера Земли. В каталоге есть как консервативный список, в котором перечислены планеты в 1,6 раза больше радиуса Земли, так и в три раз больше его массы, и оптимистичный список, в котором есть планеты до 2,5 радиуса Земли или в 10 раз больше ее масса.

Это потому, что когда мы ищем потенциальную обитаемость, мы ищем каменистые планеты, такие как Земля, а не газовые планеты. Экзопланеты с низкой плотностью, такие как газовые гиганты, не подходят для жизни, потому что они плохо удерживают питательные вещества, которые необходимы для жизни — по той же причине, по которой вы не найдете жизнь в облаках на Земля. Планеты примерно в два раза больше Земли будут каменистыми планетами, но планеты большего размера могут относиться к типу, называемому мини-Нептун или газовый карлик, который вряд ли поддерживает жизнь.

С более 5000 подтвержденных экзопланет Вы можете представить, что в каталоге перечислены сотни кандидатов на обитаемость, но на самом деле их относительно немного — всего 21 в консервативном списке и еще 38 в оптимистичном списке.

Краткость списка может быть отчасти связана с тем, что многие методы обнаружения экзопланет лучше находят более крупные экзопланеты. меньше, чем маленькие — вообще говоря, легче заметить что-то большее — и некоторые исследования показывают, что там может быть миллиарды похожих на Землю планет в нашей галактике. Но на данный момент количество экзопланет, на которые мы можем указать, которые соответствуют самым основным критериям потенциальной обитаемости, остается низким.

Где теперь искать жизнь

Конечно, тот факт, что нам известно немного потенциально обитаемых экзопланет, не означает, что мы должны отказаться от поиска жизни в другом месте. В некотором смысле выбор целей исследования упрощается, когда у вас есть такие системы, как ТРАППИСТ-1, который, как считается, содержит до четырех потенциально обитаемых экзопланет и станет ключевой целью предстоящей научной работы Космический телескоп Джеймса Уэбба.

Все эти дискуссии о пригодности для жизни основываются на идее, что если где-то во Вселенной и есть жизнь, то она будет, по крайней мере, сравнима с жизнью здесь, на Земле. Когда мы говорим о потребностях в воде или определенных питательных веществах, мы основываемся на жизни, которую наблюдали на нашей планете. Мы предполагаем, что где-то еще будет жизнь, какой мы ее знаем, но вполне возможно, что где-то там может быть жизнь в совершенно иной форме.

Хотя ученые признают эту возможность, они не склонны уделять много внимания этой концепции, потому что она практически бесполезна для исследований. «Вы не узнаете жизнь, поскольку мы ее не знаем», — отметил Мендес, так что это не то, что мы могли бы искать.

Ищем жизнь в нашей Солнечной системе

Некоторые исследователи утверждают, что вместо того, чтобы искать экзопланеты, мы могли бы искать в нашей собственной Солнечной системе потенциально обитаемые миры — такие места, как спутник Сатурна Энцелад или спутник Юпитера Европа. Несмотря на то, что они находятся слишком далеко от солнца, чтобы иметь жидкую воду на поверхности, считается, что у обоих есть жидкие океаны соленой воды под ледяной коркой.

Но Мендес не уверен, что эти места очень перспективны для жизни из-за этих ледяных корок. Эти корки блокируют доступ к любой атмосфере и препятствуют передаче энергии с поверхности, что делает ее малопригодной для поддержания жизни. «Это хуже, чем глубокие океаны на нашей планете. Это намного хуже, чем что-либо на Земле», — сказал он. «Я не думаю, что там будет жить что-то, кроме микробной жизни».

Даже обнаружение микробной жизни за пределами Земли было бы чрезвычайно захватывающим, поэтому цель таких миссий, как марсоход Perseverance, — искать доказательства древней жизни на Марсе. Но сегодня Марс не совсем гостеприимен, хотя в какой-то момент в прошлом он мог быть таким. Исследования обитаемости марсианской среды не обещают, что сегодня там что-то сохранилось: «Мы подсчитали, что поверхность Марса в тысячу раз хуже, чем пустыня Атакама», для поддержания жизни Мендес сказал.

Вперед на Марс

Несмотря на свои опасения по поводу засушливых условий Марса, Мендес прагматично относится к тому, где мы могли бы найти доказательства жизни, если она существует. «Если бы мне пришлось спорить, где мы сможем найти жизнь, я бы поставил на Марс, — сказал он, — хотя экзопланеты я люблю больше!» Это из-за проблемы обнаружения. Если вы хотите знать, что планета не только потенциально пригодна для жизни, но и на самом деле является местом обитания жизни, вам нужны доказательства, а такие доказательства крайне сложно получить с большого расстояния.

В ближайшие десятилетия запланированы миссии по возвращению образцов на Марс, и гонка за возвращение части Марса на Землю для изучения продолжается. Эти образцы - наш лучший шанс для определенного обнаружения жизни. «Определенный ответ придет, если у вас есть образец здесь, на Земле, потому что вы ищете микробную жизнь в очень малых количествах», — пояснил он.

Сценарий исследования мечты будет состоять в том, чтобы собрать образец из окружающей среды на Марсе, которая может быть обитаемой по земным стандартам, например, водоносный горизонт. Если бы мы нашли доказательства жизни в такой среде, это было бы здорово — мы бы обнаружили, что наша планета не единственная, на которой есть жизнь.

Но Мендес говорит, что не найти никаких признаков жизни в такой среде было бы не менее интересно. «Если мы найдем обитаемое место по земным меркам и там нет жизни, это будет удивительно и интригующе», — сказал он. "Что пошло не так? Что случилось? Почему нет жизни?» Учитывая, что жизнь существует в таком большом разнообразии окружающей среды на Земле, и мы знаем что Земля и Марс поделились материалом в результате столкновений, было бы действительно странно, если бы жизнь была ограничена нашей планета.

«Было бы великим открытием найти жизнь, но отрицательный результат был бы еще более глубоким», — сказал Мендес. «Здесь нельзя ошибиться. Это беспроигрышная ситуация. Ответ на Марсе, он прямо там. И любой ответ глубок».

Рекомендации редакции

• Вот почему ученые считают, что жизнь могла процветать на «адской планете» Венере
• Астрономы обнаружили экзопланету, создающую спиральные рукава вокруг своей звезды
• Европейский космический аппарат BepiColombo совершил сегодня третий облет Меркурия
• Эта экзопланета имеет температуру более 2000 градусов по Цельсию, в ее атмосфере испарился металл.
• Поиск обитаемых спутников в Солнечной системе набирает обороты