Come stanno cercando i pianeti nella zona abitabile, quali sono le condizioni necessarie per la formazione della vita e cosa c'è di interessante sulla scoperta dell'esopianeta Proxima b
La zona abitabile, che in inglese si chiama zona abitabile, è un'area nello spazio con le condizioni più favorevoli alla vita di tipo terrestre. Il termine habitat significa che quasi tutte le condizioni per la vita sono soddisfatte, semplicemente non lo vediamo. L'idoneità alla vita è determinata dai seguenti fattori: la presenza di acqua in forma liquida, un'atmosfera sufficientemente densa, la diversità chimica (molecole semplici e complesse basate su H, C, N, O, S e P) e la presenza di una stella che porta la quantità di energia richiesta.
Storia dello studio: pianeti terrestri
Dal punto di vista dell'astrofisica, sono stati diversi gli stimoli per l'emergere del concetto di zona abitabile. Considera il nostro sistema solare e quattro pianeti terrestri: Mercurio, Venere, Terra e Marte. Mercurio non ha atmosfera ed è troppo vicino al Sole, quindi non ci interessa molto. Questo è un pianeta con un triste destino, perché anche se avesse un'atmosfera, sarebbe portato via dal vento solare, cioè da un flusso di plasma che fluisce continuamente dalla corona della stella.
Considera il resto dei pianeti terrestri nel sistema solare: questi sono Venere, Terra e Marte. Sono sorti praticamente nello stesso luogo e nelle stesse condizioni ~ 4,5 miliardi di anni fa. E quindi, dal punto di vista dell'astrofisica, la loro evoluzione dovrebbe essere abbastanza simile. Ora, all'inizio dell'era spaziale, quando siamo avanzati nello studio di questi pianeti usando veicoli spaziali, i risultati ottenuti hanno mostrato condizioni estremamente diverse su questi pianeti. Ora sappiamo che Venere ha una pressione molto alta ed è molto calda in superficie, 460-480 ° C - queste sono temperature alle quali molte sostanze si sciolgono. E dai primi scatti panoramici della superficie, abbiamo visto che è completamente inanimata e praticamente non adatta alla vita. L'intera superficie è un continente.
Pianeti terrestri: Mercurio, Venere, Terra, Marte
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D'altra parte, Marte. È un mondo freddo. Marte ha perso la sua atmosfera. Anche questa è una superficie desertica, sebbene ci siano montagne e vulcani. L'atmosfera di anidride carbonica è molto rarefatta; se l'acqua c'era, allora era tutta congelata. Marte ha una calotta polare e i risultati recenti di una missione su Marte suggeriscono che il ghiaccio esiste sotto la copertura sabbiosa, la regolite.
E la Terra. Temperatura molto favorevole, l'acqua non gela (almeno non ovunque). Ed è stato sulla Terra che è nata la vita: sia primitiva che multicellulare, vita intelligente. Sembrerebbe di vedere una piccola parte del sistema solare, in cui si sono formati tre pianeti, chiamati pianeti terrestri, ma la loro evoluzione è completamente diversa. E su queste prime idee sui possibili percorsi di evoluzione dei pianeti stessi, è nata l'idea della zona abitabile.
Confini di zone abitabili
Gli astrofisici osservano e studiano il mondo che ci circonda, lo spazio esterno che ci circonda, cioè il nostro sistema solare e i sistemi planetari in altre stelle. E per sistematizzare in qualche modo, dove guardare, a quali oggetti interessarsi, è necessario capire come determinare la zona abitabile. Abbiamo sempre creduto che altre stelle dovessero avere pianeti, ma il potere strumentale ci ha permesso di scoprire i primi esopianeti - pianeti situati al di fuori del sistema solare - solo 20 anni fa.
Come vengono determinati i confini interni ed esterni della zona abitabile? Si ritiene che nel nostro sistema solare la zona abitabile si trovi a una distanza compresa tra 0,95 e 1,37 unità astronomiche dal Sole. Sappiamo che la Terra è a 1 unità astronomica (UA) dal Sole, Venere è a 0,7 AU. e., Marte - 1.5 a. Cioè, se conosciamo la luminosità di una stella, allora è molto facile calcolare il centro della zona abitabile: devi solo prendere la radice quadrata del rapporto tra la luminosità di questa stella e fare riferimento alla luminosità del Sole, cioè:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Qui Rae è il raggio medio della zona abitabile in unità astronomiche, e Lstar e Lsun sono rispettivamente le luminosita 'bolometriche della stella ricercata e del Sole. I confini della zona abitabile sono fissati in base alla necessità della presenza di acqua liquida sui pianeti in essa situati, poiché è un solvente necessario in molte reazioni biomeccaniche. Oltre il confine esterno della zona abitabile, il pianeta non riceve una radiazione solare sufficiente per compensare le perdite di radiazioni e la sua temperatura scenderà al di sotto del punto di congelamento dell'acqua. Un pianeta situato più vicino alla stella rispetto al confine interno della zona abitabile sarà eccessivamente riscaldato dalla sua radiazione, a seguito della quale l'acqua evaporerà.
Più strettamente, il confine interno è determinato sia dalla distanza del pianeta dalla stella sia dalla composizione della sua atmosfera, ed in particolare dalla presenza dei cosiddetti gas serra: vapore acqueo, anidride carbonica, metano, ammoniaca e altri. Come sapete, i gas serra provocano il riscaldamento dell'atmosfera, che in caso di un effetto serra in crescita catastrofica (ad esempio, Venere primitiva) porta all'evaporazione dell'acqua dalla superficie del pianeta e alla perdita dall'atmosfera.
Il confine esterno è già l'altro lato della questione. Può essere molto più lontano quando c'è poca energia dal Sole e la presenza di gas serra nell'atmosfera di Marte non è sufficiente perché l'effetto serra crei un clima mite. Non appena la quantità di energia diventa insufficiente, i gas serra (vapore acqueo, metano, ecc.) Dell'atmosfera si condensano, cadono sotto forma di pioggia o neve e così via. E i gas serra effettivi si sono accumulati sotto la calotta polare su Marte.
È molto importante dire una parola sulla zona abitabile per le stelle al di fuori del nostro sistema solare: il potenziale è una zona di potenziale abitabilità, cioè le condizioni in essa sono soddisfatte che sono necessarie, ma non sufficienti per la formazione della vita. Qui è necessario parlare della vitalità del pianeta, quando entrano in gioco una serie di fenomeni e processi geofisici e biochimici, come la presenza di un campo magnetico, la tettonica delle placche, la durata dei giorni planetari e così via. I fenomeni e i processi elencati vengono ora studiati attivamente in una nuova direzione della ricerca astronomica: l'astrobiologia.
Cerca pianeti nella zona abitabile
Gli astrofisici cercano semplicemente i pianeti e poi determinano se si trovano nella zona abitabile. Dalle osservazioni astronomiche, puoi vedere dove si trova questo pianeta, dove si trova la sua orbita. Se nella zona abitabile, aumenta immediatamente l'interesse per questo pianeta. Successivamente, è necessario studiare questo pianeta in altri aspetti: atmosfera, diversità chimica, presenza di acqua e fonte di calore. Già questo ci porta leggermente fuori dalle parentesi del concetto di "potenziale". Ma il problema principale è che tutte queste stelle sono molto lontane.
Una cosa è vedere un pianeta vicino a una stella come il Sole. Ci sono un certo numero di esopianeti simili alla nostra Terra: le cosiddette sub e super Terre, cioè pianeti con raggi vicini o leggermente superiori al raggio della Terra. Gli astrofisici li studiano studiando l'atmosfera, non vediamo le superfici - solo in casi isolati, il cosiddetto imaging diretto, quando vediamo solo un punto molto distante. Pertanto, dobbiamo studiare se questo pianeta ha un'atmosfera e, in tal caso, qual è la sua composizione, quali gas ci sono e così via.
Esopianeta (punto rosso a sinistra) e nana bruna 2M1207b (al centro). Prima immagine scattata utilizzando la tecnologia di imaging diretto nel 2004
ESO / VLT
In senso lato, la ricerca della vita al di fuori del sistema solare, e nel sistema solare, è la ricerca dei cosiddetti biomarcatori. Si ritiene che i biomarcatori siano composti chimici di origine biologica. Sappiamo che il principale biomarcatore sulla Terra, ad esempio, è la presenza di ossigeno nell'atmosfera. Sappiamo che c'era pochissimo ossigeno sulla Terra primordiale. La vita più semplice e primitiva è nata presto, la vita multicellulare è nata piuttosto tardi, per non parlare dell'intelligenza. Ma poi, a causa della fotosintesi, l'ossigeno ha iniziato a formarsi, l'atmosfera è cambiata. E questo è uno dei possibili biomarcatori. Ora da altre teorie sappiamo che ci sono un certo numero di pianeti con atmosfere di ossigeno, ma la formazione di ossigeno molecolare lì non è causata da processi fisici biologici, ma ordinari,diciamo la decomposizione del vapore acqueo sotto l'influenza della radiazione ultravioletta stellare. Pertanto, tutto l'entusiasmo che, non appena vedremo ossigeno molecolare, sarà un biomarcatore, non è del tutto giustificato.
Missione "Kepler"
Il Kepler Space Telescope (CT) è una delle missioni astronomiche di maggior successo (ovviamente, dopo il telescopio spaziale Hubble). Ha lo scopo di trovare pianeti. Grazie a Kepler CT, abbiamo fatto un salto di qualità nella ricerca sugli esopianeti.
La Kepler CT si è concentrata su un modo di scoperta - i cosiddetti transiti, quando un fotometro - l'unico strumento a bordo del satellite - ha tracciato il cambiamento di luminosità di una stella nel momento in cui il pianeta è passato tra essa e il telescopio. Questo ha fornito informazioni sull'orbita del pianeta, la sua massa, il regime di temperatura. E questo ha permesso di identificare circa 4500 potenziali candidati planetari durante la prima parte di questa missione.
Telescopio spaziale "Kepler"
NASA
In astrofisica, astronomia e, probabilmente, in tutte le scienze naturali, è consuetudine confermare le scoperte. Il fotometro registra che la luminosità della stella cambia, ma cosa può significare? Forse la stella ha una sorta di processi interni che portano a cambiamenti; i pianeti passano - è oscurato. Pertanto, è necessario esaminare la frequenza dei cambiamenti. Ma per poter dire con certezza che lì ci sono pianeti, è necessario confermarlo in qualche modo, ad esempio modificando la velocità radiale della stella. Cioè, ora ci sono circa 3600 pianeti: questi sono pianeti confermati da diversi metodi di osservazione. E ci sono quasi 5.000 potenziali candidati.
Proxima Centauri
Nell'agosto 2016 è stata ricevuta la conferma della presenza di un pianeta chiamato Proxima b vicino alla stella Proxima Centauri. Perché è così interessante per tutti? Per una ragione molto semplice: è la stella più vicina al nostro Sole a una distanza di 4,2 anni luce (cioè, la luce copre questa distanza in 4,2 anni). Questo è l'esopianeta più vicino a noi e, forse, il corpo celeste più vicino al sistema solare, su cui può esistere la vita. Le prime misurazioni sono state effettuate nel 2012, ma poiché questa stella è una bella nana rossa, è stata necessaria una serie molto lunga di misurazioni. E diversi team scientifici dell'European Southern Observatory (ESO) hanno osservato la stella per diversi anni. Hanno creato un sito web chiamato Pale Red Dot (palereddot.org - ed.), Cioè un "pallido punto rosso", e vi hanno postato delle osservazioni. Gli astronomi hanno attratto diversi osservatori ed è stato possibile monitorare i risultati delle osservazioni di pubblico dominio. Quindi, è stato possibile seguire quasi online il processo stesso della scoperta di questo pianeta. E il nome del programma di osservazione e del sito web risale al termine Pale Red Dot coniato dal famoso scienziato americano Carl Sagan per le immagini del pianeta Terra trasmesse da veicoli spaziali dalle profondità del sistema solare. Quando proviamo a trovare un pianeta come la Terra in altri sistemi stellari, possiamo provare a immaginare come appare il nostro pianeta dalle profondità dello spazio. Questo progetto è stato chiamato Pale Blue Dot ('pallido punto blu'), perché dallo spazio, a causa della luminosità dell'atmosfera, il nostro pianeta è visibile come un punto blu.è stato possibile seguire il processo stesso della scoperta di questo pianeta quasi online. E il nome del programma di osservazione e del sito web risale al termine Pale Red Dot coniato dal famoso scienziato americano Carl Sagan per le immagini del pianeta Terra trasmesse da veicoli spaziali dalle profondità del sistema solare. Quando proviamo a trovare un pianeta come la Terra in altri sistemi stellari, possiamo provare a immaginare come appare il nostro pianeta dalle profondità dello spazio. Questo progetto è stato chiamato Pale Blue Dot ('pallido punto blu'), perché dallo spazio, a causa della luminosità dell'atmosfera, il nostro pianeta è visibile come un punto blu.è stato possibile seguire il processo stesso della scoperta di questo pianeta quasi online. E il nome del programma di osservazione e del sito web risale al termine Pale Red Dot coniato dal famoso scienziato americano Carl Sagan per le immagini del pianeta Terra trasmesse da veicoli spaziali dalle profondità del sistema solare. Quando proviamo a trovare un pianeta come la Terra in altri sistemi stellari, possiamo provare a immaginare come appare il nostro pianeta dalle profondità dello spazio. Questo progetto è stato chiamato Pale Blue Dot ('pallido punto blu'), perché dallo spazio, a causa della luminosità dell'atmosfera, il nostro pianeta è visibile come un punto blu.proposto dal famoso scienziato americano Carl Sagan per le immagini del pianeta Terra, trasmesse da veicoli spaziali dalle profondità del sistema solare. Quando proviamo a trovare un pianeta come la Terra in altri sistemi stellari, possiamo provare a immaginare come appare il nostro pianeta dalle profondità dello spazio. Questo progetto è stato chiamato Pale Blue Dot, perché dallo spazio, a causa della luminosità dell'atmosfera, il nostro pianeta è visibile come un punto blu.proposto dal famoso scienziato americano Carl Sagan per le immagini del pianeta Terra, trasmesse da veicoli spaziali dalle profondità del sistema solare. Quando proviamo a trovare un pianeta come la Terra in altri sistemi stellari, possiamo provare a immaginare come appare il nostro pianeta dalle profondità dello spazio. Questo progetto è stato chiamato Pale Blue Dot, perché dallo spazio, a causa della luminosità dell'atmosfera, il nostro pianeta è visibile come un punto blu.
Il pianeta Proxima b si è trovato nella zona abitabile della sua stella e relativamente vicino alla Terra. Se noi, il pianeta Terra, siamo a 1 unità astronomica dalla nostra stella, allora questo nuovo pianeta è 0,05, cioè 200 volte più vicino. Ma la stella brilla più debole, è più fredda, e già a tali distanze cade nella cosiddetta zona di cattura delle maree. Mentre la Terra ha catturato la Luna e ruotano insieme, la stessa situazione è qui. Ma allo stesso tempo, un lato del pianeta è riscaldato e l'altro è freddo.
Il presunto paesaggio di Proxima Centauri b visto dall'artista
ESO / M. Kornmesser
Esistono tali condizioni climatiche, un sistema di venti che scambia calore tra la parte riscaldata e la parte oscura, e ai confini di questi emisferi possono esserci condizioni abbastanza favorevoli per la vita. Ma il problema con il pianeta Proxima Centauri b è che la stella madre è una nana rossa. Le nane rosse vivono abbastanza a lungo, ma hanno una proprietà specifica: sono molto attive. Ci sono razzi stellari, espulsioni di massa coronale e così via. Sono già stati pubblicati molti articoli scientifici su questo sistema, dove, ad esempio, si dice che, a differenza della Terra, il livello di radiazione ultravioletta è 20-30 volte superiore. Cioè, per avere condizioni favorevoli sulla superficie, l'atmosfera deve essere abbastanza densa da proteggere dalle radiazioni. Ma questo è l'unico esopianeta più vicino a noi,che può essere studiato in dettaglio con la prossima generazione di strumenti astronomici. Osserva la sua atmosfera, guarda cosa sta succedendo lì, se ci sono gas serra, qual è il clima lì, se ci sono biomarcatori lì. Gli astrofisici studieranno il pianeta Proxima b, un oggetto caldo per la ricerca.
Prospettive
Stiamo aspettando diversi nuovi telescopi terrestri e spaziali, nuovi strumenti da lanciare. In Russia, questo sarà il telescopio spaziale Spektr-UF. L'Istituto di astronomia dell'Accademia delle scienze russa sta lavorando attivamente a questo progetto. Nel 2018 verrà lanciato l'American Space Telescope. James Webb è la generazione successiva rispetto a CT im. Hubble. La sua risoluzione sarà molto più alta e saremo in grado di osservare la composizione dell'atmosfera in quegli esopianeti di cui conosciamo, in qualche modo risolverne la struttura, il sistema climatico. Ma dobbiamo capire che questo è uno strumento astronomico comune - naturalmente, ci sarà una concorrenza molto forte, così come al CT. Hubble: qualcuno vuole guardare la galassia, qualcuno - le stelle, qualcun altro qualcosa. Sono previste diverse missioni specializzate per esplorare esopianeti,es. TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) della NASA. In realtà, nei prossimi 10 anni, possiamo aspettarci un progresso significativo nelle nostre conoscenze sugli esopianeti in generale e sugli esopianeti potenzialmente abitabili come la Terra, in particolare.
Valery Shematovich, dottore in fisica e matematica, capo del dipartimento di ricerca sul sistema solare, Istituto di astronomia, Accademia russa delle scienze
