Při pohledu do budoucnosti vkládají NASA a další vesmírné agentury velké naděje do oblasti výzkumu extrasolárních planet. V posledním desetiletí dosáhl počet známých exoplanet necelých 4000 a očekává se, že po uvedení teleskopů nové generace do provozu bude nalezeno mnohem více. A s tolika exoplanetami ke studiu se výzkumné cíle pomalu posunuly od procesu objevování k charakterizaci.
Bohužel vědci jsou stále sužováni skutečností, že to, co považujeme za „obyvatelnou zónu“, podléhá mnoha předpokladům. Řeší to mezinárodní tým výzkumníků nedávno publikoval článek ve kterém naznačili, jak by se budoucí průzkumy exoplanet mohly dívat za příklady pozemské analogie jako indikace obyvatelnosti a přijmout komplexnější přístup.
List s názvem „ Předpovědi obytné zóny a jak je testovat “, se nedávno objevil online a byl předložen jako bílá kniha Astro 2020 desetiletý průzkum o astronomii a astrofyzice . Tým za tím vedl Ramses M. Ramirez, výzkumník s Ústav vědy o životě na Zemi (ELSI) a Space Science Institute (SSI), ke kterému se připojili spoluautoři a spolupodepisovatelé z 23 univerzit a institucí.
Účelem desetiletého průzkumu je posoudit dříve dosažený pokrok v různých oblastech výzkumu a stanovit priority pro nadcházející desetiletí. Průzkum jako takový poskytuje zásadní vodítko pro NASA Národní vesmírná nadace (NSF) a ministerstvo energetiky, když plánují své výzkumné cíle v oblasti astronomie a astrofyziky do budoucna.
V současnosti se mnoho z těchto cílů zaměřuje na studium exoplanet, které budou v nadcházejících letech těžit z nasazení teleskopů nové generace, jako je např. Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) a Širokoúhlý infračervený vesmírný dalekohled (WFIRST), stejně jako pozemní observatoře, jako je např Extrémně velký dalekohled (ELT), Třicetimetrový dalekohled a Obří Magellanův dalekohled (GMT).
Jednou z prvořadých priorit výzkumu exoplanet je hledání planet, kde by mohl existovat mimozemský život. V tomto ohledu vědci označují planety jako „potenciálně obyvatelné“ (a tedy hodné následných pozorování) na základě toho, zda obíhají v rámci obyvatelných zón (HZ) svých hvězd či nikoli. Z tohoto důvodu je rozumné podívat se na to, co znamená definování HZ.
Jak Ramirez a jeho kolegové uvedli ve svém článku, jedním z hlavních problémů s obyvatelností exoplanet je úroveň předpokladů, které jsou učiněny. Abychom to rozebrali, většina definic HZ předpokládá přítomnost vody na povrchu, protože je to jediné rozpouštědlo, o kterém je v současnosti známo, že hostí život. Tyto stejné definice předpokládají, že život vyžaduje kamennou planetu s tektonickou aktivitou obíhající kolem vhodně jasné a teplé hvězdy.
Zóna „Zlatovláska“ kolem hvězdy je místo, kde planeta není ani příliš horká, ani příliš studená, aby udržela kapalnou vodu. Kredit: Petigura/UC Berkeley, Howard/UH-Manoa, Marcy/UC Berkeley.
Nedávný výzkum však mnohé z těchto předpokladů zpochybnil. To zahrnuje studie, které ukazují, jak atmosférický kyslík neznamená automaticky přítomnost života – zvláště pokud je tento kyslík výsledkem chemické disociace a ne fotosyntézy. Jiný výzkum ukázal, jak je přítomnost plynného kyslíku v raných obdobích vývoje planety mohla zabránit vzestupu základních forem života .
Také tam byly nedávné studie, které ukázaly, jak tektonika desek nemusí být nutné pro vznik života, a že tzv. vodní světy “ nemusí být schopen podporovat život (ale ještě mohl ). Kromě toho všeho máte teoretickou práci, která naznačuje, že život by se mohl vyvíjet v mořích metanu nebo čpavku na jiných nebeských tělesech.
Klíčovým příkladem je zde Saturnův měsíc Titan , který se může pochlubit prostředím bohatým na prebiotické podmínky a organickou chemii – o které si někteří vědci myslí, že by mohla podporovat exotické formy života. Nakonec vědci hledají známé biomarkery, jako je voda a oxid uhličitý, protože jsou spojeny s životem na Zemi, což je jediný známý příklad planety nesoucí život.
Ale jak Ramirez vysvětlil Universe Today prostřednictvím e-mailu, tento způsob myšlení (kde jsou analogy Země považovány za vhodné pro život) je stále plný problémů:
'Klasická definice obyvatelné zóny je chybná, protože její konstrukce je založena hlavně na klimatologických argumentech zaměřených na Zemi, které mohou nebo nemusí být použitelné na jiné potenciálně obyvatelné planety.' Například předpokládá, že vícebarové atmosféry CO2 mohou být podporovány na potenciálně obyvatelných planetách poblíž vnějšího okraje obyvatelné zóny. Tak vysoké hladiny CO2 jsou však toxické pro pozemské rostliny a živočichy, a proto bez lepšího pochopení hranic života nevíme, jak rozumný je tento předpoklad.
Exoplaneta Kepler 62f by potřebovala atmosféru bohatou na oxid uhličitý, aby byla voda v kapalné formě. Umělecká ilustrace: NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle
„Klasický HZ také předpokládá, že CO2 a H2O jsou klíčové skleníkové plyny udržující potenciálně obyvatelné planety, ale několik studií v posledních letech vyvinulo alternativní definice HZ využívající různé kombinace skleníkových plynů, včetně těch, které, i když jsou na Zemi relativně malé, by mohly být důležité pro další potenciálně obyvatelné planety.'
V předchozí studium , Dr. Ramirez ukázal, jak by přítomnost metanu a plynného vodíku mohla také způsobit globální oteplování, a tím poněkud rozšířit klasické HZ. To přišlo pouhý rok poté, co on a Lisa Kaltenegger (docentka Institut Carla Sagana na Cornellově univerzitě ) vyrobené studie který ukázal, jak by vulkanická aktivita (která uvolňuje plynný vodík do atmosféry) mohla také rozšířit HZ hvězdy.
Naštěstí budou mít tyto definice možnost otestovat díky nasazení teleskopů nové generace. Vědci budou moci nejen otestovat některé dlouhodobé předpoklady, na kterých jsou HZ založeny, ale také budou moci porovnávat různé interpretace. Podle Dr. Ramireze jsou dobrým příkladem hladiny CO2, které jsou závislé na vzdálenosti planety od její hvězdy:
'Teleskopy nové generace by mohly otestovat obyvatelnou zónu hledáním předpokládaného zvýšení atmosférického tlaku CO2 tím dále, než jsou potenciálně obyvatelné planety od svých hvězd.' To by také otestovalo, zda je uhličitanovo-silikátový cyklus, o kterém se mnozí domnívají, že udržoval naši planetu obyvatelnou po většinu její historie, je univerzální proces nebo ne.
Umělcovo zobrazení vodního světa. Nová studie naznačuje, že Země je v menšině, pokud jde o planety, a že většina obyvatelných planet může být více než 90 % oceánů. Kredit: David A. Aguilar (CfA)
V tomto procesu se silikátové horniny přeměňují na uhlíkové horniny zvětráváním a erozí, zatímco uhlíkové horniny se přeměňují na silikátové horniny vulkanickou a geologickou činností. Tento cyklus zajišťuje dlouhodobou stabilitu zemské atmosféry tím, že udržuje hladiny CO2 v průběhu času konzistentní. Také ukazuje, jak je voda a desková tektonika nezbytná pro život, jak jej známe.
Tento typ cyklu však může existovat pouze na planetách, které mají pevninu, což fakticky vylučuje „vodní světy“. Tyto exoplanety – které mohou být běžné kolem M-typu (červený trpaslík) hvězdy – předpokládá se, že tvoří až 50 % hmotnosti vody. S tímto množstvím vody na jejich povrchu mají „vodní světy“ na rozhraní jádra a pláště pravděpodobně husté vrstvy ledu, což brání hydrotermální aktivitě.
Ale jak již bylo uvedeno, existuje nějaký výzkum, který naznačuje, že tyto planety by mohly být stále obyvatelné. Zatímco hojnost vody by zabránila absorpci oxidu uhličitého horninami a potlačila vulkanickou aktivitu, simulace ukázaly, že tyto planety mohou stále koloběh uhlíku mezi atmosférou a oceánem, čímž udrží klima stabilní.
Pokud tyto typy oceánských světů existují, říká Dr. Ramirez, vědci by je mohli detekovat prostřednictvím jejich nižší planetární hustoty a atmosféry vysokého tlaku. A pak je tu záležitost různých skleníkových plynů, které v závislosti na typu hvězdy nejsou vždy ukazatelem teplejších planetárních atmosfér.
Umělecký dojem ze Siriuse A (hvězda hlavní sekvence typu A) a Siriuse B (společník bílého trpaslíka). Poděkování: NASA, ESA a G. Bacon (STScI)
'Ačkoli metan ohřívá naši planetu, zjistili jsme, že metan ve skutečnosti ochlazuje povrchy planet obyvatelné zóny obíhajících kolem hvězd červených trpaslíků!' řekl. 'Pokud je tomu tak, vysoké množství atmosférického metanu na takových planetách by mohlo znamenat zamrzlé podmínky, které jsou možná nevhodné pro život života.' Budeme to moci pozorovat v planetárních spektrech.“
Když už mluvíme o červených trpaslících, zuří debata o tom, zda planety, které obíhají kolem těchto hvězd, by byly schopny udržet atmosféru. V posledních několika letech bylo učiněno několik objevů, které naznačují, že kamenné planety s přílivovým uzamčením jsou běžné kolem červených trpaslíků a že obíhají v příslušných HZ svých hvězd.
Následný výzkum však posílil teorii, že nestabilita červených trpaslíků by pravděpodobně měla za následek sluneční erupce, které by odřízly všechny planety, které kolem nich obíhají. jejich atmosfér . Nakonec Ramirez a jeho kolegové upozorňují na možnost, že by bylo možné nalézt obyvatelné planety obíhající to, co bylo (až donedávna) považováno za nepravděpodobného kandidáta.
Jednalo by se o hvězdy hlavní sekvence typu A – jako Sirius A, Altair a Vega – které byly považovány za příliš jasné a horké na to, aby byly vhodné k obyvatelnosti. Dr. Ramirez řekl o této možnosti:
'Také mě zajímá, zda existuje život na planetách v obyvatelné zóně obíhajících kolem A-hvězd.' Nebylo mnoho publikovaných hodnocení obyvatelnosti planet A-star, ale některé architektury nové generace je plánují pozorovat. Brzy se dozvíme více o vhodnosti A-stars pro život.“
Umělecký koncept exoplanet podobných Zemi, které (podle nového výzkumu) potřebují dosáhnout pečlivé rovnováhy mezi vodou a pevninou. Kredit: NASA
Nakonec se studie jako tato, které zpochybňují definici „obyvatelné zóny“, budou hodit, když mise nové generace zahájí vědecké operace. S jejich vyšším rozlišením a citlivějšími nástroji budou moci testovat a potvrzovat mnoho předpovědí, které vědci učinili.
Tyto testy také potvrdí, zda by tam venku mohl existovat život pouze tak, jak ho známe, nebo také mimo parametry, které považujeme za „podobné Zemi“. Ale jak Ramirez dodal, studie, kterou on a jeho kolegové provedli, také zdůrazňuje, jak důležité je, abychom i nadále investovali do pokročilé technologie dalekohledů:
„Náš dokument také zdůrazňuje důležitost pokračujících investic do pokročilé technologie dalekohledů. Pokud chceme maximalizovat své šance na nalezení života, musíme být schopni najít a charakterizovat co nejvíce planet v obyvatelných zónách. Doufám však také, že naše noviny budou inspirovat lidi, aby snili déle než dalších 10 let. Opravdu věřím, že nakonec budou mise, které budou mnohem schopnější než cokoli, co aktuálně navrhujeme. Naše současné úsilí je jen začátkem mnohem angažovanějšího úsilí pro náš druh.“
Setkání Decadal Survey 2020 pořádají společně Board of Physics and Astronomy a Rada vesmírných studií z Národní akademie věd a bude následovat zpráva, která bude zveřejněna zhruba za dva roky.
Další čtení: arXiv , Národní akademie věd – Astro 2020