Астрохимия и астробиология

Два критерия обитаемости планет

Дмитрий Вибе

2012-09-12 9:02:15

Число известных внесолнечных планет перевалило за семь сотен, но о большинстве из них непосредственно известно пока только то, что они существуют. В отсутствие прямой информации о физических условиях и химическом составе атмосфер внесолнечных планет приходится довольствоваться косвенными данными. Дирк Шульце-Макух (Университет штата Вашингтон, США) с коллегами взялись разработать критерии, которые позволяли бы оценивать обитаемость различных тел как в Солнечной системе, так и за её пределами, исходя либо из той информации, что уже доступна, либо из той, что станет доступна в ближайшем будущем при помощи создаваемых телескопов (Astrobiology, 2011, 11 (10)).

Ключевым понятием в оценке биологического потенциала иных миров является «зона обитаемости» — интервал расстояний от родительской звезды, в котором температурный режим благоприятствовал бы наличию атмосферы жидкой воды. Однако даже пример Солнечной системы показывает ограниченность этой концепции, которая не учитывает, например, возможность наличия подповерхностной жизни или наличие иного источника энергии (например, приливное трение на Европе). Кроме того, по мнению ряда авторов, водяная зона обитаемости слишком «землецентрична» и не учитывает возможность существования форм жизни, в корне отличающихся от земной.

Поэтому Шульце-Макух и его соавторы из США и Германии решили подойти к оценке обитаемости с более широких позиций и предложили два новых критерия: показатель сходства с Землей (Earth Similarity Index, ESI) и показатель обитаемости планеты (Planetary Habitability Index, PHI).

Связь между измеряемыми параметрами и параметрами обитаемости планеты
Параметр Метод Проект Биопараметр
Большая полуось ПИ,АМ,ЛС,З,МЛ Кеплер,GAIA Температура поверхности
Эксцентриситет ПИ,АМ,ЛС GAIA Сезонные изменения
Масса ПИ,АМ,ЛС,МЛ JWST,GAIA,TPF Давление и температура на поверхности
Радиус З,ПИ Кеплер Химический состав
Температура поверхности З,ПИ TPF,JWST Наличие жидкой воды
Состав атмосферы З,ПИ TPF,JWST Следы жизни
Инфракрасный спектр ПИ TPF Характеристики растительности

Расшифровка метода исследования экзопланет: ПИ — прямые изображения, АМ — астрометрия, ЛС — лучевые скорости, З — затмения, МЛ — микролинзирование

Показатель сходства с Землей

Показатель ESI предлагается рассчитывать отдельно для поверхностных условий, подповерхностных условий и в целом для планеты, опираясь при этом только на параметры, которые хотя бы потенциально доступны для определения (размер, масса, температура). Под сходством с Землёй понимается следующее: масса от 0.1 до 10 масс Земли, плотность от 0.7 до 1.5 плотности Земли (то есть от 4.4 до 8.3 г/см3). Эти параметры подразумевают возможность удержания азотной атмосферы и невозможность существования водородной атмосферы, а также среднюю температуру от 0 до 50 градусов Цельсия. Планета, достаточно массивная для удержания водорода, будет, вероятно, обладать очень мощной протяжённой атмосферой, напоминая, скорее, гигант, чем планету земного типа. Для расчёта температуры использовались параметры орбиты и родительской звезды.

В Солнечной системе по критерию ESI наиболее подходящим местом для жизни оказалась, естественно, Земля. Наибольшим подповерхностным сходством с ней обладают Венера, Меркурий и Марс, при этом Венера оказывается практически идентичной (подповерхностный ESI = 0.98). По поверхностным свойствам Земле наиболее близок Марс (поверхностный ESI = 0.6). За пределами Солнечной системы наиболее похожими на Землю оказались планеты звезды GJ 581.

В целом, по Солнечной системе максимальным землеподобием обладает Марс с показателем 0.7. Интересно, что достаточно высоким оказался и показатель Меркурия (0.6), а вот у такого перспективного тела как Европа он равен всего лишь 0.26 — даже ниже, чем у Ио (0.36)! Это означает, что, применяя для оценки обитаемости только те параметры экзопланет, что доступны для измерения сейчас, мы рискуем сильно ошибиться, сочтя пригодным для жизни Меркурий и не уделив достаточного внимания Европе.

Показатель обитаемости планеты

Другой критерий строится на основе параметров, которые, по мнению авторов, определяют возможность развития любой формы жизни, не только земной. Предполагается, что для развития жизни необходима среда, включающая в себя твёрдую поверхность, атмосферу и магнитосферу. Твёрдая поверхность служит хранилищем для исходных материалов, обеспечивает протекание химических реакций и защищает от внешних воздействий. Защиту даёт и атмосфера, которая также стабилизирует условия на поверхности. Вероятно, важным условием является и наличие магнитного поля, защищающего поверхность от заряженных частиц. К сожалению, пока можно лишь приблизительно оценить возможность наличия у планеты твёрдой поверхности и в очень редких случаях сказать что-то об атмосфере, но будущие инструменты должны восполнить этот пробел.

Следующий важный элемент — энергия. Основным её источником является, конечно, звезда, поэтому в показателе PHI учитывается расстояние от звезды до планеты и светимость звезды. Кроме того, в расчёт необходимо принимать внутренние источники тепла в планете (радиоактивный распад, остаточное тепло), выделение энергии при химических реакциях и приливное трение. Определение большинства из этих параметров также остаётся делом будущего.

Обитаемость планеты зависит от её химического состава. Вообще, по способности образовывать полимерные соединения, наиболее подходящим для жизни элементом кажется углерод. Однако при очень высоких или очень низких температурах этой способностью обладает и кремний. Кроме того, на биологическую перспективность укажет также наличие азота, серы и фосфора — элементов, способствующих образованию сложных химических соединений.

Химические реакции наиболее эффективно протекают в жидкости. Наличие на планете жидкости зависит от её химического состава, а также давления и температуры атмосферы. Чтобы установить значения этих параметров, необходимы наблюдения планеты с временным разрешением не хуже одной десятой её суточного периода. На Титане, например, возможность существования жидких углеводородов была установлена по косвенным данным задолго до их прямого обнаружения. Это можно будет сделать и для экзопланет. Сложнее обстоит дело с подповерхностными жидкостями. Если мы будем рассматривать только поверхностные условия, опять же рискуем пропустить Европу. С другой стороны, прямое обнаружение таких жидкостей невозможно пока даже на телах Солнечной системы, не говоря уж об экзопланетах.

Интересно, что по совокупности этих признаков максимальным значением показателя PHI не обладает даже Земля; у неё он равен 0.96. Но нужно учитывать, что этот критерий строится по современным параметрам. В прошлом Земли мог существовать дополнительный источник энергии — приливное трение. Сейчас его нет, что делает современную Землю чуть менее привлекательной для зарождения жизни.

Следующим по привлекательности в Солнечной системе идёт Титан (0.64), а за ним — Марс (0.59) и Европа (0.49). В целом, можно сказать, что в Солнечной системе критерий PHI оказывается более адекватным, чем критерий ESI, поскольку указывает на тела, которые действительно считаются потенциально пригодными для жизни.

Интересно, что показатель PHI довольно велик у газовых гигантов Сатурна и Юпитера (0.37). У них нет поверхности, но зато они богаты органикой и не испытывают недостатка в энергии. Поэтому авторы считают, что необходимо рассматривать возможность существования жизни в их атмосферах. Ещё большее удивление вызывает высокая величина PHI для Венеры (также 0.37) — планеты, которая считается чуть ли не воплощением ада. Здесь авторам также видится возможность атмосферной жизни. Она могла зародиться на поверхности в венерианском прошлом, более благоприятном в климатическом отношении, а потом сохраниться в верхнем слое облаков.

Вне Солнечной системы и в этом случае наиболее привлекательной оказывается система звезды GJ 581, точнее, входящие в неё планеты g (PHI = 0.45) и d (PHI = 0.43). Но тут с адекватностью всё становится менее определённо: авторы использовали в расчётах параметры этих планет, известные со значительной погрешностью. Больше того, оспаривается даже само существование планеты GJ 581 g.

Авторы сами предостерегают от слишком прямолинейного восприятия своих оценок. В частности, они напоминают, что близкие значения параметра ESI не подразумевают сходства двух тел, например, Марса и GJ 581 c. Они не похожи друг на друга, а скорее в равной степени далеки от Земли, но по очень разным причинам: GJ 581 c горяча и велика, а Марс мал и холоден.

С другой стороны, они считают свои критерии важным шагов в сторону от землецентричности. Конечно, чем дальше мы отходим от земных представлений о жизни, тем большую приходится давать волю фантазии. С другой стороны, ограничивая себя земными рамками, мы рискуем пропустить множество обитаемых миров.

Ответить

Вы должны войти, чтобы оставить комментарий.