PŘIPOMÍNKA: – Universe Today bude ve čtvrtek 15. října hostit rozhovor s Dr. Dirkem Schulze-Makuchem, spoluautorem výzkumu uvedeného v tomto článku.čt2020 v 8:30 PT. Kliknutím na video níže můžete sledovat živě nebo poté sledovat nahraný stream
Uzemnění Země
Co je to za planetu?
C. NASA
Pokud jste řekl Hoth , to je dobrý odhad. Ale ve skutečnosti je to Země zobrazená v jedné ze dvou známých 'sněhová koule' státy. Celý povrch planety byl uzamčen pod ledovcovým ledem během kryogenského období před 650 miliony let a během huronského zalednění před 2 – 2,4 miliardami let.
Když uvažujeme o obyvatelnosti, máme tendenci používat Zemi jako zlatý standard planet ve vesmíru. Ale i Země zažila zhoršenou obyvatelnost kvůli kataklyzmatickým událostem nebo změně klimatu. Navíc, co když existují planety, které se vymykají Zemi planetě Zemi, protože jsou podobné Zemi – lépe optimalizované pro vývoj rozmanitého a komplexního života? V nové studium , autoři Dirk Schulze-Makuch, profesor Centra pro astronomii a astrofyziku na Technické univerzitě v Berlíně; astrofyzik René Heller z Institutu Maxe Plancka pro výzkum sluneční soustavy; a Edward Guinan, profesor na katedře astronomie Villanova University, říkají:
'Skutečnost, že Země překypuje životem, způsobuje, že se zdá zvláštní ptát se, zda by v naší galaxii mohly být jiné planety, které by mohly být pro život vhodnější.'
Schulze-Makuch, Heller a Guinan 2020
Ale to, co se autoři rozhodli najít – planety ještě obyvatelnější než Země, resp'Super obyvatelné'
Lov planet
Studie zkoumala více než 4000 potvrzených planet a kandidátů planet uvedených v databázi KOI (Kepler Object of Interest) při hledání superobyvatelných světů. Kepler je dalekohled pro lov planet zahájila v roce 2009 hledání planet mimo naši sluneční soustavu neboli „exoplanety“. I když je nepravděpodobné, že by naše Slunce bylo jedinou hvězdou s planetami, definitivní důkaz exoplanet jsme neměli až do roku 1992, kdy jsme našli několik obíhajících neutronových hvězd. B1257+12 . Během několika let od uvedení na trh objevil Kepler tisíce dalších pomocí 'způsob dopravy.' Kepler detekuje stíny vrhané vzdálenými světy, když křižují náš pohled na jejich mateřské hvězdy (přechod), které blokují část světla hvězd. Kepler odebral vzorek části oblohy poblíž souhvězdí Labutě a Lyry a potvrdil, že vesmír má pravděpodobně ještě více planet než hvězd. Samozřejmě, chceme vědět, může na těchto světech existovat život? Jsou obyvatelné? Jsou potenciálněvíceobyvatelnější než náš vlastní svět?
Umělecké zobrazení Keplera, který vidí tranzity planet. Kepler vidí stíny světů, když křižují tvář svých vzdálených hvězd, a měří pokles jasnosti hvězd – c. NASA
Život, jak ho známe…
Když definujeme „obyvatelný“, mluvíme skutečně o obyvatelnosti pro životjak to známeprotože to je jediný příklad, který máme. Autoři použili seznam podmínek prostředí, které omezují biochemii života na Zemi, včetně teploty, pH, vody, kyslíku, tlaku, záření a rozsahů, ve kterých život v každé z nich přežívá. Například někteří tvorové žijící v hloubce 11 100 m Mariánského příkopu, nejhlubším místě našich oceánů, jsou vystaveni tlaku tisíckrát většímu než na povrchu planety, a přesto na obou místech existuje život. Všechny tyto podmínky na vzdáleném světě však zatím nemůžeme změřit se stejnými detaily jako na naší vlastní planetě. Místo toho se snažíme určit, jaké obecné předpoklady vedly k obyvatelnosti Země a aplikovat je na vzdálené světy. To, co MŮŽEME vidět, je typ hvězdy, kolem které exoplaneta obíhá, pokud exoplaneta obíhá kolem své hvězdy ve vzdálenosti, aby udržela teplotu vhodnou pro kapalnou vodu (označovanou jako obyvatelná zóna), hmotnost exoplanety a odhadla stáří. exoplanety a hostitelské hvězdy.
Superobyvatelné podmínky
Mateřská hvězda:
Naše Slunce je trpasličí hvězda třídy G nebo „dG“, někdy označovaná jako žlutý trpaslík. Protože jsme tady a obíháme tuto hvězdu, dalo by se dojít k závěru, že hvězdy třídy G jsou ideální pro vývoj komplexního života. Složitý život však vyžadoval více než 3 miliardy let evoluce. Technologický život si vyžádal 4 miliardy. Při pohledu na životní cyklus našeho Slunce jsme to sotva zvládli. Našemu Slunci zbývá 5 miliard let, než vyčerpá své vodíkové palivo, ale po cestě se stále ohřívá a za další miliardu odpaří pozemské oceány – což je zlomek celkového času, který nám zabral vývoj. Masivnější hvězdy; třída F, A, B a O; vyčerpají svůj vodík mnohem rychleji – někdy za 5 miliard let nebo dokonce jen za několik milionů let – a ponechávají tak malý prostor pro vývoj života… nebo dokonce začátek. Hvězdy méně hmotné než naše Slunce, třídy K a M, žijí déle a poskytují více času na vývoj na planetách v jejich slunečních soustavách. Hvězdy třídy M, schopné hořet řádově stovky miliard až bilionů let, však přicházejí s výhradami. Jejich nízký energetický výdej vyžaduje, aby planety obíhaly tak blízko, aby udržely teploty příznivé pro kapalnou vodu, že se „slapově uzamčí“. Jedna strana planety je uzamčena gravitací, aby byla vždy obrácena ke hvězdě – stejně jako je náš Měsíc slapově uzamčen k Zemi. Teplotní odchylky na slapově uzamčené planetě by byly extrémní z jedné strany na druhou. Navíc blízkost planety ke hvězdě ji zanechává zranitelnou vůči intenzivním výbuchům slunečního záření supervzplanutí a sluneční bouře. Takže M je pravděpodobně mimo. Zbývají tak hvězdy třídy K, hmotnostní třída těsně pod G, která podle autorů „může dobře nabízet nejpříznivější prostředí pro superobyvatelné planety“. Statisticky je to dobrá zpráva, protože K hvězdy tvoří větší procento hvězd v naší galaxii než G – 12 % oproti 8 %.
Hmotnost:
Kromě toho, že Země neobíhá kolem nejoptimálnější hvězdy, nemusí být ani optimální hmotností pro pozemskou planetu nesoucí život. Více hmoty znamená větší plochu. Větší plocha znamená více prostoru pro vývoj života a také hustší atmosféru díky zvýšené gravitaci. Ale dosáhnete kritického limitu. Planety, které jsou více než 1,5násobkem hmotnosti Země, mohou být ve skutečnosti vzdálenými plynnými obry klasifikovanými jako „Mini Neptuny“. Pokud se ve skutečnosti jedná o pozemské světy nad 1,5 hmotnosti Země, může zvýšená gravitace bránit mechanice deskové tektoniky, pohybu zemských mas, nezbytných pro recyklaci povrchových živin prostřednictvím zemětřesení a vulkanismu (proces, který například Mars postrádá). Desková tektonika také rovnoměrně distribuuje zemi a vodu. V minulosti osamělý superkontinent ZeměPangeapředstavoval vnitrozemské pouště, protože centrální oblasti kontinentu byly vzdálené od oceánské vody, což mělo za následek horší obyvatelnost než dnešní konfigurace kontinentu. Větší hmotná planeta také uzamkne více tepla ve svém jádru, což pohání tektonickou aktivitu na delší dobu. Kromě toho rotující roztavené jádro planety vytváří ochranné magnetické pole kolem planety, stejně jako nás naše magnetické pole chrání před slunečním zářením (viditelným během polární záře). Autoři se usadili na pozemské planetě o hmotnosti 1,5krát větší než Země a přibližně o 10 % větší.
Animace rozpadu superkontinentu Pangea prostřednictvím deskové tektoniky v průběhu milionů let –
C. USGS Public Domain
Teplota:
Teplota a kolísání teploty planety jsou většinou funkcí vzdálenosti od mateřské hvězdy a také sklonu osy planety. Pro ideální teplotu a stabilní axiální sklon musí planeta sídlit v obyvatelné zóně hvězdy, kde by byla na povrchu přítomna kapalná voda (jako u Země) a měla by mít velký měsíc. Gravitační přitažlivost Měsíce na Zemi snižuje míru „kolísání“ naší planety. Naše Země se jako kolovrátek kývá kolem své osy, což znamená, že asi za 13 000 let bude Polárkou hvězda Vega a ne Polárka, protože směr, kterým se severní pól unáší po obloze. Bez kotvícího efektu Měsíce by kolísání zemské osy bylo mnohem větší. Velké posuny v axiálním sklonu planety by mohly vyvolat extrémní teplotní a klimatické změny, které by mohly způsobit v událostech hromadného vymírání . Víme také, že nejteplejší a nejvlhčí místa na Zemi jsou místa, kde najdeme největší biomasu a biologickou rozmanitost – konkrétně deštné pralesy. Teplejší a vlhčí epochy historie Země byly také synonymem velkých explozí života, jako bylo období karbonu před 350 miliony let, kdy byla průměrná globální teplota o 5 stupňů vyšší než dnes. Takže hledáme vlhké exoplanety v obyvatelné zóně s průměrnou globální teplotou o 5 stupňů vyšší než současná Země a které mají velký měsíc.
Stáří:
Život začal asi 700 milionů let po zformování Země. Aby se však komplexní mnohobuněčný život vyvinul, bylo zapotřebí eonů více času. Díky více času má evoluce více příležitostí vyzkoušet způsoby života. Není jasné, jaká je optimální doba pro vývoj komplexního života, ale chcete tolik času, kolik můžete získat, než se jádro planety ochladí nebo mateřská hvězda vyčerpá své palivo. Příliš mnoho času navíc zvyšuje šanci, že daná planeta bude vystavena náhodným kataklyzmatickým událostem, jako jsou dopady komety. Autoři vybírají věk 5-8 miliard let oproti 4,5 miliardám na Zemi.
Za těchto podmínek se dostáváme k superobyvatelné planetě:
- Pozemská planeta obíhající v obyvatelné zóně trpasličí mateřské hvězdy třídy K – vs. trpasličí hvězda G na Zemi
- Stáří 5–8 miliard let – oproti 4,5 miliardám let na Zemi
- 1,5 násobek hmotnosti Země a o 10 % větší než Země
- Průměrná povrchová teplota je o 5 stupňů Celsia teplejší – podobně jako v období zemského karbonu
- Vlhká atmosféra 25 – 30 % O2koncentrace – také podobná pozemskému karbonu atmosférickému O2koncentrace (aktuálně jsme na 21 %)
- Desková tektonika vede k recyklaci živin na povrchu planety a rovnoměrně distribuované vodě a zemi. Díky aktivní deskové tektonice má planeta pravděpodobně také rotující roztavené jádro generující ochranné magnetické pole.
- Hostí velký měsíc o hmotnosti 1–10 % hmotnosti planety a obíhá ve vzdálenosti 10–100 planetárních poloměrů – Měsíc Země má hmotnost 1,2 % hmotnosti Země a obíhá kolem 60 poloměrů Země
Takže, existují nějaké planety, které splňují podmínky!? Je to pevné...možná. Všechna tato kritéria nemůžeme měřit ze vzdáleností, které sledujeme současnými technologiemi. Nemůžeme například ještě určit, zda exoplaneta obsahuje aktivní deskovou tektoniku nebo hostí měsíc. Můžeme ale změřit hmotnost exoplanety, zda obíhá v obyvatelné zóně, odhadnout její stáří a klasifikovat mateřskou hvězdu. Autoři skenováním více než 4000 Keplerových planet z hlediska superobyvatelných kritérií našli 24 pozemských kandidátů, kteří splňují alespoň některé z podmínek. 9 oběžných hvězd K, 16 je mezi 5-18 miliardami let starých a 5 je v rozmezí 10 stupňů optimální teploty. Z 24, JEDEN splňuje všechna pozorovatelná kritéria, KOI 5715.01, který obíhá kolem oranžového trpaslíka třídy K ve vzdálenosti zhruba 3000 světelných let od Země.
Obr. 1 z Schulze-Makucha, Hellera a Guinanu 2020. Vzdálenosti mezi hvězdami a planetami (na úsečce) a hmotnost hostitelské hvězdy (na souřadnici) zhruba 4500 kandidátů na extrasolární planety a extrasolární planety. Teploty hvězd jsou označeny barvami symbolů (viz barevný pruh). Planetární poloměry jsou zakódovány ve velikostech symbolů (viz stupnice velikostí dole). Konzervativní obyvatelná zóna, definovaná vlhkým skleníkem a maximálními skleníkovými limity (Kopparapu et al., 2013) je vyznačena černými plnými čarami. Hvězdné jasy potřebné pro parametrizaci těchto limitů byly převzaty z Baraffe et al. (2015) jako funkce hmotnosti, jak je znázorněno podél ordináty diagramu. Údaje z exoplanets.org ke dni 20. května 2019.
Je někdo doma?
Zatímco kandidáti mohou mít předpoklady pro superobyvatelnost, nevíme, zda jsou skutečně obydleni. I když víme, jaké podmínky život (jak ho známe) potřebuje k rozkvětu, nevíme, jaké podmínky jsou propůvodživota.Jakmile se však míč kutálí, zdá se, že život směřuje ke složitosti.
V souvisejícím výzkumu, který také napsal Dirk Schulze-Makuch a ke kterému se připojil William Bains z MIT, oba argumentují, že pokud život začíná na planetě, evoluce nevyhnutelně vede ke složitým, makroskopickým formám s ohledem na obyvatelné podmínky prostředí a dostatek času. Schulze-Makuch a Bains zhodnotili „klíčové inovace“ nebo hlavní evoluční milníky života na Zemi. Tyto milníky nastaly „mnohokrát nezávisle ve velmi odlišných skupinách organismů“, což naznačuje, že tyto inovace nejsou ani vzácné, ani jedinečné v evolučním procesu směrem k postupně složitějšímu životu. A pokud se tyto velké skoky staly mnohokrát na naší vlastní planetě, nezávisle na druhu nebo umístění, možná by k podobným milníkům mohlo dojít i na jiných světech. Klíčové inovace byly také katalyzovány podmínkami obvyklými v jiných světech. Například fotosyntéza je logickým evolučním skokem, protože nejhojnějším zdrojem energie pro život by bylo světlo hvězd na povrchu planety. Pak bychom mohli očekávat, že se mimozemský život také vyvinul k fotosyntéze. Dalšími průběžnými inovacemi byly bakterie produkující kyslík, které obohatily obsah O2 v naší atmosféře, složitá vnitřní buněčná struktura, složité genetické kódování, mnohobuněčnost, velké mnohobuněčné organismy a konečně inteligence vedoucí k technologické inteligenci. Ze všech inovativních kroků života jsou dva, kterým plně nerozumíme, původ života samotného a vývoj technologické inteligence – počátek a nejnovější. Kromě těchto dvou inovací došli autoři k závěru, že pokud bude dostatek času, „tam, kde vznikl život a existuje dostatečný energetický tok, jsme si jisti, že najdeme složitý život podobný zvířatům“. Nemusí to být technologický život zvířat, ale POKUD život skutečně začal na světě, a zvláště pokud tento svět vykazuje superobyvatelnost, existuje vysoká pravděpodobnost, že na tomto světě sídlí komplexní zvířecí život, pokud tomu nasvědčuje vývoj života na Zemi. A to je… wow.
V současnosti žádný ze superobyvatelných kandidátů nebydlí v okruhu sta světelných let, což znamená, že je obtížné je podrobně studovat. Ale vzhledem k nadcházejícímu pokroku v dalekohledech, jako je např Vesmírný dalekohled Jamese Webba a Projekt Starshade , pokud se objeví bližší superobyvatelný kandidát, autoři nás vyzývají, abychom se na to podívali blíže
'...s ohledem na hledání extrasolárního života si potenciálně superobyvatelné planety mohou zasluhovat vyšší prioritu pro sledování než většina planet podobných Zemi.'
Schulze-Makuch, Heller a Guinan 2020
Mezitím existuje JEDEN svět, o kterém víme, že má život. Pokud jde o obyvatelnost, děláme spoustu škod. Trvalo miliardy let, než podmínky připravily půdu pro náš příchod na Zemi. Rychle to všechno obracíme. Važme si Země se stejnou bázní a úctou, jakou bychom projevili její sestřenici, kdybychom ji našli mezi hvězdami.
Více k prozkoumání:
Universe Today Rozhovor s Dirkem Schulze-Makuchem
Hledání planety lepší než Země: Nejlepší uchazeči o superobyvatelný svět – Schulze-Makuch, Heller, Guinan 2020 (Původní publikace)
Jak špatné jsou supervzplanutí pro obyvatelnost planety? – Vesmír dnes
James Webb funguje perfektně! Na zemi. Další trik: Dělat to z vesmíru – Universe Today
Účinky extrémních variací šikmosti na obyvatelnost exoplanet – Amstrong et al 2014
Pro Keplera je konec. Nejúspěšnější lovec planet, jaký byl kdy postaven, konečně nemá palivo a byl právě vypnut – Universe Today Balónová mise, která by se mohla pokusit potvrdit život na Venuši – dnešní vesmír