Жизнепригодность планеты— способность планеты или её спутника быть потенциально пригодной для возникновения и поддержания жизни. Поскольку существование живых организмов на других планетах, кроме Земли, не доказано, любую планету нельзя уверенно признать пригодной, речь идёт о физико-химических условиях на Земле, а также в Солнечной системе. Эти характеристики (тип звезды, расстояние между Землёй и солнцем, масса и орбита Земли) способствуют развитию не только одноклеточных организмов, способных существовать в широком диапазоне температур, но и многоклеточных организмов. Исследования в этой области, как теоретические, так и экспериментальные, являются предметом относительно молодой научной дисциплины астробиологии, входящей в состав планетологии.
Абсолютно необходимым условием существования живых организмов является источник энергии, но потенциальная пригодность планет для развития жизни зависит и от сочетания геофизических, геохимических и астрофизических факторов. В программе развития астробиологии НАСА критерии пригодности планет для развития жизни определены как: «Большие участки жидкой водной среды; условия, способствующие синтезу сложных органических веществ; а также наличие источника энергии для поддержания метаболизма»
При определении потенциальной жизнепригодности планеты, исследования сосредоточены на основном составе, характеристиках орбиты, атмосферы и возможных химических реакциях. Важнейшими звёздными характеристиками являются: масса и светимость, стабильность и высокая металличность. Скалистые землепододобные планеты и луны потенциально имеющие жизнь основанную на углероде являются важнейшим направлением исследований астробиологии, хотя другие теории порой рассматривают альтернативную биохимию и другие типы космических тел.
Идея, что за пределами Земли может существовать жизнь является одной из древнейших, но исторически она была сформирована философией и естественными науками.
В конце XX века произошло два прорыва в этой области. Наблюдение и изучение автоматическими межпланетными станциями других планет и лун солнечной системы, предоставило критически важную информацию для определения критериев жизнепригодности и позволяет провести важные геофизические сравнения между землёй и другими объектами. Количество внесолнечных планет, впервые обнаруженных в 1991 году, постоянно растёт, что позволяет получить дополнительную информацию по изучению возможности внеземной жизни. Самое главное, это подтвердило, что солнце не уникально среди звёзд по наличию планетной системы и расширило горизонт поисков за пределы солнечной системы.
Критерии пригодности:
1)Спектральный класс!
Спектральный класс звезды указывает на температуру фотосферы, которая коррелирует с абсолютной массой (см. главная последовательность и диаграмма Герцшпрунга — Рассела). В настоящее время считаются подходящими для зарождения жизни следующие спектральные классы: начальный F или G и средний K. Это соответствует промежутку температур от чуть более 7 000 °K до чуть более 4 000 °K, солнце — звезда класса G2V с температурой поверхности 6 000 °K идеально входит в эти границы. Звёзды так же должны обладать рядом важных характеристик для жизнепригодности планет:
Они живут (не сходят с главной последовательности) по крайней мере несколько миллиардов лет, что даёт жизни шанс на появление и развитие. Более яркие звёзды классов O, B, и A обычно живут менее миллиарда лет, в исключительных случаях менее 10 миллионов лет.
Они испускают достаточное количество высокочастного ультрафиолетового излучения, чтобы вызвать важные атмосферные изменения, такие как: синтез органических соединений в ранней атмосфере и образование озонового слоя в более поздней. Но не так много, чтобы ионизация уничтожила зарождающуюся жизнь.
Расстояние от планеты до звезды должно быть достаточным, чтобы приливные силы не воздействовали на вращение вокруг оси, создавая спин-орбитальный резонанс (англ. tidal lock) и при этом вода могла оставаться жидкой (см. ниже стабильная обитаемая зона, системы красных карликов). Звёзды класса K могут длительное время поддерживать условия существования жизни, значительно превосходя солнце, но при этом орбиты планет должны находиться ближе к звезде, чем Земля, поэтому они будут испытывать большее влияние приливных сил.
Этот спектральный диапазон возможно подходит для 5-10 % всех звёзд в ближайшем окружении нашей галактики. Менее яркие звёзды классов K и M — красные карлики составляют подавляющие большинство звёзд во вселенной, поэтому нерешенный вопрос о их жизнепригодности является одним из самых главных в данной области. Примечательно, что первая звезда, у которой обнаружили экзопланету Глизе 581 c, находящуюся в обитаемой зоне, была красный карлик. Эта планета, так называемая суперземля, потенциально может иметь жидкую воду. Возможный парниковый эффект может сделать её слишком горячей для существования жизни, однако благодаря ему следующая в системе планета Глизе 581 d может быть более вероятным кандидатом на наличие благоприятных условий для существования жизни, если конечно, тоже не выпадет из этого списка по причине приливного действия звезды, могущего заставить и её вращаться синхронно по орбите, поворачиваясь к звезде лишь одной стороной.
2)Стабильная обитаемая зона!
Обитаемая зона — участок теоретически рассматриваемой ближайшей звезды, внутри которого может существовать жидкая вода. После источников энергии жидкая вода является наиболее важным ингредиентом для существования жизни, учитывая то, как неотъемлемо связана с водой жизнь на Земле. Это может оказывать влияние на водо-зависимые виды и если будет открыта жизнь, не требующая воды (например, на основе раствора жидкого аммиака), то это изменит представления об обитаемой зоне и существенно расширит её возможные размеры или понятие обитаемой зоны может быть вообще отброшено, как ограниченное.c
Отмечается два фактора стабильности обитаемой зоны. Первый — это отсутствие больших изменений в течение времени. Конечно, светимость всех звезд с течением времени возрастает и Обитаемая зона с течением времени отодвигается дальше от звезды, но если это происходит слишком быстро, как в случае, например, со сверхмассивными звездами, то шанс, что на планетах внутри ОЗ, при её постоянном и быстром движении, возникнет жизнь, очень мал. Подсчет протяженности линии обитаемой зоны никогда не бывает простым, учитывается такая негативная обратная связь такая, как геохимический цикл углерода могущий компенсировать повышение светимости. Предположения, сделанные относительно атмосферных условий и геологии позволяют сделать вывод о столь же большом влиянии, оказываемом на развитие ОЗ, что и эволюция Солнца; предположительно, солнечная ОЗ могла значительно меняться.
Второй фактор — отсутствие сверхмассивных тел, как планеты — газовые гиганты, чье гравитационное воздействие могло бы оказывать разрушительное воздействие на окружающие тела и препятствовать образованию землеподобных планет. Масса пояса астероидов за орбитой Марса, к примеру, показывает, что отдельные тела из-за резонансного действия Юпитера не могут объединившись, образовать планету и появись такая планета на участке между Венерой и Марсом и Земля почти наверняка не смогла бы приобрести свой нынешний вид.Это дает основание предположить, что газовый гигант в обитаемой зоне при благоприятных условиях мог бы иметь обитаемые спутники.
Солнечная система является моделью, при которой внутренними являются планеты земной группы, а внешними – газовые гиганты, но открытия экзопланет показывают, что эта модель не является всеобщей для других звездных систем: многочисленные Юпитероподобные планеты были найдены, в основном, во внутренних орбитах разрушая потенциал обитаемых зон. Однако, возможно, наши нынешние данные об экзопланетах искажены с уклоном к этому типу (большие планеты на внутренних орбитах) потому что они намного легче обнаруживаются; таким образом, ещё неизвестно, какой тип является нормальным, если он вообще тот, каким считается.
3)Медленная переменность!
Со временем меняется светимость практически всех звезд, но серьёзность таких колебаний охватывает большой диапазон. Самые большие звезды относительно стабильны, но значительно меньшие переменчивые звезды, как показывает опыт наблюдений, внезапно и интенсивно вспыхивают и их светимость, а следовательно и радиоактивное облучение возможно существующих на их орбитах объектов, значительно возрастает. Это значительно уменьшает число кандидатов на роль имеющих в своей системе жилых планет из-за непредсказуемости таких звезд и изменений количество испускаемого излучения, могущего негативно влиять на живые организмы. В высшей степени, жизнь приспособлена к ограниченному набору температур и вероятно, неспособна, пережить слишком сильные изменения температур. Также, увеличение светимости сопровождается увеличением потока рентгеновского и гамма-излучения, могущего быть смертельным для живых организмов. Атмосфера смягчает подобное действие (абсолютное увеличение на 100% светимости солнца не обязательно означает на 100% увеличение температуры на Земле), но атмосферная защита может не сработать на планете, вращающейся вокруг такой переменной звезды, потому что постоянные удары потоков высокочастотных энергий данных объектов будет постоянно сбрасывать с них эту защиту и лишать их защитного покрова.
Солнце в значительной мере, является мягким по степени этой опасности: изменения от максимума до минимума составляет, приблизительно, 0.1% в течение 11лет солнечного цикла. Весьма (но это не бесспорно) наглядно, что даже небольшие колебания светимости Солнца могут оказывать значительное влияние на земной климат хорошо видно при рассмотрении исторических эпох; Малый ледниковый период в середине II тысячелетия н. э., например, мог иметь причиной относительно длительное по времени понижение светимости Солнца..[10] Таким образом, звезда не должна быть настолько переменной, чтобы изменения светимости её могли оказывать воздействие на возможную жизнь. Известный "аналог Солнца," один из наиболее похожих на Солнце рассматриваемый как 18 Скорпиона, к сожалению, имеет мало перспектив для существования жизни. В отличие от нашего Cолнца, 18 Скорпиона имеет значительно большую амплитуду солнечного цикла, в чём и заключается различие между двумя объектами.
4)Высокая металличность!
В то время как основными элементами любой звезды являются водород и гелий, в них также может быть различное количество других, более тяжелых элементов, называемых металлами. (Заметка: в этом контексте, "металлом" здесь именуется элемент тяжелее гелия, включая такие элементы как углерод, азот, кислород, фосфор, и сера присущие жизни, как и признаваемые в химии металлами, элементы). Высокая концентрация металлов внутри звезды находится в соотношении с величиной тяжелых элементов, имеющихся в формирующемся протопланетном диске. Малая концентрация металлов значительно уменьшает шанс, что вокруг звезды внутри протопланетного диска будут формироваться планеты, согласно теории формирования планетных систем. Любые планеты, формируемые вокруг бедных металлами звезд, будут малы по своим массам и неблагоприятны для жизни. Спектроскопические исследования систем, где были найдены экзопланеты показало взаимосвязь между высокой концентрацией металлов в звездах и образованием планет: "звезды с планетами, или небольшими планетоподобными объектами из известных сегодня, явно более богаты металлами, чем звезды не имеющие планет." Высокая металличность также устанавливает требования к молодым активным звездам: звезды, сформированные в ранние периоды мировой истории были бедны металлами и имели меньше шансов на формирование вокруг них планет.
5)Планетарные характеристики!
Спутники некоторых газовых гигантов, возможно, могут быть обитаемы.Основное допущение, которое делается относительно возможно обитаемых планет – это то, что это планеты земной группы. Такие планеты имеют примерно одну с Землей величину массы, первоначально сложены из силикатных горных пород и не накапливают газовой прослойки из водорода и гелия, каковая имеется на газовых гигантах. Что может развиваться в верхних облачных слоях планет-гигантов, нельзя полностью исключить, хоть это маловероятно, ибо они не имеют твердой поверхности и их гравитация слишком велика. Между тем, естественные спутники планет-гигантов совершенно обосновано могут рассматриваться в качестве кандидатов на место появления и существования жизни. При анализе обстановки, могущей благоприятствовать развитию жизни, обычно делаются различия между бактериями и археями и совокупностью животных и прочих более сложных организмов. Одноклеточные непременно предшествуют многоклеточным в таком гипотетическом древе жизни ибо одноклеточные организмы появляются там, где нет условий для существования для более высоко организованных существ.e Планетарные характеристики, приведенные ниже, играют ключевую роль для жизни вообще, но в каждом случае препятствия для возможного существования жизни более следует учитывать, говоря о многоклеточных организмах, будь то растения или животные, нежели об одноклеточных.
6)Масса!
Марс, с его тонкой атмосферой, холоднее, чем Земля, даже будь он на таком же расстоянии от Солнца.Планеты с малой массой являются плохими кандидатами на роль места развития жизни в силу двух причин. Первый – их меньшая гравитация делает сложнее задачу удержания атмосферы. Составляющие её молекулы гораздо легче достигнут третьей космической скорости и будут унесены в космос под действием солнечного ветра, будучи возбуждаемы при столкновении. Планеты без плотной атмосферы имеют недостаток исходного материала для первоначальной биохимии имеют слабую изоляцию и плохую теплопередачу по ширине своей поверхности (для примера, Марс, с его тонкой атмосферой, холоднее, чем Земля, даже будь она на таком же расстоянии от Солнца.), и слабо защищает против ударов метеоритов и высокочастотного солнечного или космического радиоизлучения. Второй, меньшие планеты имеют меньший диаметр и таким образом, большее соотношение (площади?) поверхности к массе, чем их более крупные собратья. Такие тела имеют тенденцию быстрее терять накопленную при их формировании энергию и это приводит к прекращению вулканической, сейсмической и тектонической активности которая снабжает поверхности поддерживающими жизнь материалами и в атмосферу выпускают играющий роль в регуляции температуры диоксид углерода. Тектоника плит играет важную роль, по крайней мере, на Земле: не только производится переработка различных химических веществ и минералов, что способствует разнообразию жизни на Земле через процессы формирование континентов и воздействие на климат, и помогают образованию участков конвекции, необходимых для образования земного магнитного поля, играющего важнейшую роль в поддержанию жизни на Земле.
«Маломассивная планета» - во многом понятие относительное; Земля обоснованно именуется маломассивной, когда сравнивается с газовыми гигантами Солнечной системы, но является наибольшей по диаметру, массе и плотности из всех землеподобных объектов в Солнечной системе. Она достаточно велика, чтобы удерживать своей гравитацией достаточно плотную атмосферу и достаточно большая, чтобы её внутренность длительное время оставалась горячей и подвижной, приводя в движение геологические процессы на поверхности remains a heat engine, (один из компонентов, поддерживающих это тепло, это также и распад радиоактивных элементов, входящих в состав ядра). Марс же, напротив, является почти (или возможно, полностью) геологически мертвым, ибо сходные с земными процессы в его недрах из-за их остывания давно затухли, и потерял большую часть своей атмосферы .Таким образом, можно справедливо заключить, что нижний предел массы возможно обитаемой планеты лежит где-то между Марсом и Землей или Венерой; 0.3 земной массы предлагается считать некой разделительной линией, пределом для обитаемой планеты.
Так или иначе, в 2008 ученые Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) предположили, что этот предел может быть выше. Земля фактически может являться объектом, находящимся в условиях нижнего предела для обитаемости, будь она лишнь немного меньше, тектоника плит была бы невозможна. Венера, которая имеет 85 % земной массы, практически не демонстрирует тектонической активности. Напротив, "Сверхземли" , землеподобные планеты с массой, большей чем Земля, могли бы иметь больший уровень тектоники плит и являться более приемлемым местом для размещения жизни. Исключительные обстоятельство действительно предлагают исключительные случаи: спутник Юпитера Ио (который меньше, чем любая из землеподобных планет) вулканически активен из-за гравитационных возмущений, вызванных его орбитой и действием Юпитера, а его соседка Европа может иметь жидкий океан под покрывающим спутник ледяным панцирем также подвергающийся действию соседнего газового гиганта. Спутник же Сатурна, Титан имеет, шанс являться пристанищем жизни, поскольку, имеет плотную атмосферу и биохимические процессы, происходящие в водоемах из жидкого метана, имеющегося на его поверхности. Эти спутники являются исключением, но они доказывают, что масса как параметр обитаемости, не является до конца обоснованным. В конечном счете, большие планеты имеют большее железосодержащее ядро. Это позволяет существовать стабильному магнитному полю, защищающему поверхность планеты от солнечного ветра и космической радиации, которые иначе имеют тенденцию пронизывать и постепенно «сдувать» атмосферу планеты и бомбардировать её поверхность потоками заряженных частиц. Масса – не единственный фактор, важный для стабильного существования магнитного поля — в равной степени, планета может вращаться достаточно быстро для поддержания динамо-эффекта в ядре—но это существенная составляющая процесса.
7)Орбита и вращение!
Как и с другими параметрами, в данном случае, стабильность – решающее соображение в определении влияния орбитальных и вращательных характеристик на обитаемость той или иной планеты. Орбитальный эксцентритет определяет различия между ближней и дальней по отношению к звезде точке орбиты планеты по отношению к средним точкам. Наибольший эксцентритет порождает наибольшие температурные колебания на поверхности планеты. Даже имея возможность адаптироваться, живые организмы могут лишь останавливаться в своем развитии на формах, выдерживающих это, особенно если температурные колебания все время пересекают поочередно точку замерзания и точку кипения главного для данного мира растворителя, играющего роль в органическом мире (например, вода на Земле). Если бы например, земные океаны то и дело испытывали на себе поочередно температуры точки кипения и замерзания, то трудно себе представить развитие жизни на Земле, каким мы его привыкли представлять, тем более, что большая часть совокупности живых организмов на Земле очень чувствительна к высоким температурам. На деле же земная орбита почти округлая, с эксцентритетом менее чем 0.02; другие планеты Солнечной системы (исключение составляет Меркурий ) имеют эксцентритет в таких же терпимых параметрах.
Собранная информация об эксцентритете экзопланет была сюрпризом для ученых: 90% их имела больший эксцентритет чем известен в пределах нашей Солнечной системе, и составлял в среднем 0.25. Движение планет вокруг своей оси также должно отвечать определенным требованиям, дабы жизнь могла развиваться. Первое допущение заключается в том, что на планете должно быть достаточно мягкое чередование сезонов и сезонных температур. Если наклон оси вращения планеты мал или отсутствует (или косо направлен) относительно обычной линии, перпендикулярной плоскости эклиптики, времен года не будет и главный стимул к развитию биосферы исчезнет. Планета также будет холоднее, чем она была бы при существенном наклоне оси: когда наибольшая интенсивность излучения бывает лишь у экватора и в низких широтах, теплая погода не приходит в районы, более близкие к полюсам и внетропическая зона и весь климат планеты находится во власти холодных полярных воздушных масс. Если планета сильно наклонена, смена сезонов будет экстремально резкой, для биосферы будет трудной задачей выдерживать такой климат и сохранять постоянство в своем развитии. Хотя в течение Четвертичного периода самый большой наклон земной оси совпадает с периодами наименьшего оледенения, наибольших температур и меньших сезонных колебаний, ученые до сих пор не знают, могла ли продолжиться эта тенденция с возрастанием наклона оси (см. «Земля-снежок»). Точный эффект от этих изменений может показать только компьютерное моделирование, и исследования показывают, что даже экстремальные колебания в 85 градусов не совершенно уничтожают жизнь "при условии, если это не происходит на континентальной поверхности, где могут возникать довольно высокие температуры." Не только небольшой наклон оси, но и эти колебания с течением времени могут быть приняты во внимание. Наклон оси Земли варьировался между 21.5 и 24.5 градусов в течение 41,000 лет. Более серьёзные или более быстрые изменения способны оказать влияние на климат, сделав его более суровым, а колебания температур - более жестким.
Другие требования к орбите включают:
Планета вращается относительно быстро, так что смена дня и ночи происходит не очень долго. Если день занимает существенную часть года (или весь или даже несколько лет), изменения температур между днем и ночью могут быть весьма выраженными, и перед возможной жизнью возникает проблема, сходная с той, что уже рассматривалась на примере влияния эксцентритета на климат.
Изменения направления оси вращения (прецессия) не должны быть выраженными. Сама по себе, прецессия не влияет так на климат, как изменение наклона оси. однако, прецессия имеет тенденцию усиливать изменения, вызванные другими орбитальными отклонениями; см. «Циклы Миланковича». Прецессия на Земле составляет цикл в 26,000 лет.
Луна играет ключевую роль в изменении земного климата, стабилизируя изменения наклона оси Земли. Это может навести на мысль, что хаотические изменения могут разрушительно влиять на развитие жизни — таким образом, спутники для потенциально жилой планеты не только полезны, но необходимы, создавая нужную для развития жизни стабильность. Впрочем, эта позиция спорна.
8)Геохимия!
Обычно допускается, что любая внеземная жизнь, если она существует, может функционировать, основываясь на тех же элементах биохимии, что и жизнь на Земле, как 4 важнейших для жизни элемента, углерод, водород, кислород, и азот, к тому же являющихся наиболее распространенными химическими элементами во Вселенной. В самом деле, такие биогенные структуры, такие как аминокислоты, возможно, имеются в наличии на метеоритах и в межзвездной среде. Эти 4 элемента вместе образуют 96% общей биомассы Земли. Углерод не имеет себе равных в способности создавать связи и формировать таким образом большое число сложных и разнообразных структур, что делает его практически идеальным элементом - основой для формирования живых клеток. Водород и кислород образуют воду - растворитель, в котором и происходят биологические процессы и в котором первые реакции и положили начало жизни. Энергия освобождалась в процессе формирования прочных ковалентных связей между углеродом и кислородом, доступных для окисления органических соединений, являющихся топливом для всех форм жизни. Эти четыре элемента вместе составляют аминокислоты, которые преобразуются в строительные элементы белков, основы живой материи. К тому же, ни сера, необходимая для строительства белков, ни фосфор, необходимый для формирования ДНК и РНК, и аденозинофосфаты необходимых для обмена веществ, также нередки. Относительно содержание элементов в космосе не всегда соответствует их содержанию внутри планет; из четырёх уже упомянутых элемента, важных для жизни, для примера, одиночный кислород в настоящее время в изобилии встречается в земной коре. Это может быть частично раскрыто фактом, что многие из этих элементов, таких, как водород и азот, параллельно с их простыми и широко распространенными соединениями, такими как диоксид углерода, монооксид углерода (угарный газ), метан, аммиак и вода, встречаются при высоких температурах в газообразном состоянии. В горячей области близко к Солнцу эти летучие соединения не играют значительной роли в формировании планетарной геологии. Взамен, они улавливались, как газы входя в состав заново формирующейся коры, которая состояла в значительной мере из скалистых пород, нелетучих соединений - таких, как кварц (компоненты – кремний и кислород, что отражает относительную распространенность кислорода). Выделение летучих элементов через вулканическую деятельность могло способствовать формированию атмосферы планеты. Эксперимент Миллера-Юри показал, что при наличии любого вида энергии аминокислоты могли образовываться из возникших на первоначальной Земле легких соединений. Даже в этом случае газовыделение вулканами, возможно, не является объяснением количества воды в земных океанах. Большая часть воды — и, вероятно, углерода — необходимых для жизни, могли прийти из внешних областей Солнечной системы, удаленных от солнечного тепла, где она может длительное время оставаться в твердом состоянии. Столкновения комет с Землей в ранние годы существования солнечной системы могли принести большую часть воды, параллельно с другими летучими соединениями, необходимыми для жизни (включая аминокислоты) на ранней Земле, при условии толчка к развитию жизни. В этом причина сомнений, что четыре "элемента жизни" обязательно должны быть в наличии где-то в другом месте звездной системы и, возможно, также требуется и доставка долговременно вращающихся на своих орбитах тел для «засева» нужными элементами внутренних планет. Предполагается, что без комет жизнь, какой мы её знаем, не возникла бы на Земле.
9)Микросреда и экстремофилы!
Пустыня Атакама может быть принята, как пример условий, аналогичных (во всяком случае, приближенным, насколько это возможно) марсианским и идеальная среда для исследования возможной границы между полной безжизненностью и обитаемостью.Одна из важнейших оговорок к описанию признаков обитаемости что лишь небольшая часть планет имеет требуемые для поддержания жизни условия. Астробиологии часто затрагивают тему "микросреды," замечая, что "мы нуждаемся в фундаментальном понимании как силы эволюции, такие, как мутации, селекция, и дрейф генов, работают в микроорганизмах действуя и реагируя на изменения микросреды." Экстремофилы - совокупное название для живых существ (в том числе бактерий и микроорганизмов), способных жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды (экстремально высокие/низкие температуры, чрезмерное давление и т. п.), таких как: термофилы, ацидофилы, ксерофилы.
Открытие жизни в экстремальных условиях усложнило определение обитаемости, но также вызвало большое волнение в среде ученых, вызванное значительным расширением известной зоны, в условиях которой жизнь может сохраняться. Для примера, планеты, которые в иных условиях неспособны поддерживать атмосферу при условии близости Солнца, могли бы иметь условия для существования таких организмов в глубоких затененных трещинах и вулканических кратерах. Таким же образом район кратеров может стать убежищем для жизни. Кратер Лоун-Хилл (Австралия) был рассмотрен, как астробиологический аналог учеными, предложившими мысль, что быстрое отложение осадков создает защищенную микросреду, благоприятную для микроорганизмов; подобное могло случать и в геологической истории Марса.
Среды на Земле не могущие поддерживать жизнь, поучительны для астробиологов желающих определить границы, в пределах которых может поддерживаться жизнь. Жара пустыни Атакама, в целом, одного из наиболее засушливых мест на Земле, показывает неспособность поддерживать жизнь, но она является темой исследований NASA по такому поводу: она является своеобразным аналогом Марса и перепад влажности на её границе, все эти условия являются идеальными для исследования возможных границ между непригодностью для жизни и возможной пригодностью. Атакама была объектом исследований в 2003 году, что частично повторило эксперименты американского аппарата «Викинг» высадившегося на Марс в 1970 годах; исследования взятых проб грунта на предмет наличия ДНК и другой органики также показали отрицательный результат.
10)Альтернативные звездные системы!
Определяя степень пригодности для существования возможной внеземной жизни, астрономы долго сосредотачивали свое внимание на звездах, напоминающих наше собственное Солнце. Однако, они начали исследовать возможность, что жизнь может появиться в системах, очень не похожих на известные нам.
11)Двойные звездные системы
Обычные подсчеты часто наводят на мысль, что 50 % звездных систем или более являются двойными системами. Это может быть образцом некоего уклона, ибо массивные и яркие звезды имеют тенденцию создавать пары и это может быть легко наблюдаемо и подтверждено по каталогам и задокументировано; более точный анализ показал, что более распространенные, тусклые звезды обычно одиночны и до 2/3 всех звездных систем по этой причине являются одиночными. Разделение между двумя звездами в одних парах в такой системе может составлять менее чем одну астрономическую единицу (А. Е., расстояние от Земли до Солнца), а в некоторых — сотни. В последнем случае гравитационное воздействие на вращение планет другой соответствующей звезды будет незначительным и потенциальная обитаемость не будет уничтожаться за счет высокой эксцентричности орбиты (см. Немезида, например). Однако, где это разделение значительно меньше, стабильность орбит может быть недостижима. Если расстояние планеты до главного светила, вокруг которого она вращается, превышает 1/5 расстояние до другой звезды, когда она находится в максимальной близости, стабильность орбиты планеты не гарантирована. Один, достойный изучения предмет — Альфа Центавра, ближайшая звездная система к Солнцу, подсказал, что двойные системы нельзя игнорировать при поиске обитаемых планет. Центавра A и B при максимальном сближении находятся на расстоянии 11 А.е. (23 А.е. в среднем, что примерно соответствует расстоянию от Солнца до планеты Уран), и могут иметь стабильную обитаемую зону. Изучение в течение длительного периода на предмет стабильности возможно существующих планет внутри моделируемой системы, показало, что планеты в пределах, приблизительно 3 А.е от любой из двух звезд могут оставаться стабильными в своем движении по орбитам (Большая полуось отклоняется менее чем на 5 %). Обитаемая зона внутри Центавра A предполагается на уровне 1.2 или 1.3 А.е. а Центавра B от 0.73 до 0.74 — в обоих случаях они находятся внутри этой вполне стабильной зоны.
12)Системы звезд — красных карликов!
Соотношение звездной величины и температуры фотосферы. Любая планета, вращающаяся вокруг Красного карлика, такого, как один из показанных здесь для достижения температур, подобных земным, должны собираться вблизи звезды, вероятно, испытывая действия приливных сил, синхронизирующих их движение.Определение обитаемости звезд — красных карликов могло помочь выяснить, насколько может быть распространена жизнь во Вселенной ведь красные карлики составляют от 70 до 90 % от всех звезд в Галактике. Коричневые карлики, вероятно, ещё более многочисленны, чем красные карлики. Однако, их обычно не классифицируют как звезды, и не признают за ними возможность поддерживать жизнь, как мы понимаем её, так как излучая мало тепла, они быстро исчезают. Астрономы много лет исключали красные карлики из списка кандидатов на роль звезд, в системе которых может возникнуть жизнь. Они имеют малую величину (от 0.1 до 0.6 солнечных масс), термоядерная реакция проходит в них исключительно медленно, и они излучают очень мало света (от 3 % от производимого нашим Солнцем и до 0,01 %). Любая планета, вращающаяся вокруг звезды — красного карлика, для достижения на своей поверхности температур, подобных земным, должна находиться очень близко к своей звезде; от 0.3 А.е. (в нашей системе она была бы внутри орбиты Меркурия) как звезда, подобная звезде Лакайль 8760, до столь малого, как 0.032 А.е для звезды, такой как Проксима Центавра[36] (год в таком мире будет длиться около 6.3 дня). На таком расстоянии притяжение звезды может оказывать приливное действие, синхронизируя вращение планеты, одна сторона планеты может быть всегда повернута к звезде, в то время, как другая, напротив, повернута от неё (или медленно поворачиваться вокруг своей оси — на один оборот вокруг звезды, два поворота, как на Меркурии). Это единственный путь возможной жизни — она должна избегать обоих условий, как сильной жары, так и сильных морозов, однако, если планета имеет плотную атмосферу, достаточную для распределения тепла с дневной стороны на ночную, то такого перепада может и не быть. Это долго давало предположения, что такая атмосфера будет препятствовать проникновению света звезды к поверхности планеты, не давая возможности для фотосинтеза.
Этот пессимизм был умерен при дальнейшем исследовании. Исследования, проведенные Робертом Хэберлом и Маноджем Джоши из исследовательского центра НАСА в Эймсе в калифорнии показали, что атмосфера планет (при условии наличия парниковых газов, таких, как CO2 и H2O — водяного пара, тоже обладающего парниковым эффектом) требуется лишь 100 мбар, или 10 % земной атмосферы, чтобы тепло, получаемое от зведы эффективно переносилось на ночную сторону. Это действительно в пределах уровня, необходимого для фотосинтеза, хоть, по некоторым моделям, вода на темной стороне все ещё оставалась бы замороженной. Мартин Хифс из Гринвичского Общественного колледжа, показал, что морская вода также, могла бы эффективно циркулировать без замерзания если океанские бассейны достаточно глубоки чтобы позволять воде спокойно течь под верхним, замерзшим слоем. Дальнейшее исследование — включая обсуждение вопроса о количестве света, необходимого для фотосинтеза — показали, что планеты, находящиеся под действием приливных сил звезды в системе Красных карликов в наименьшей степени могут быть пригодны для жизни высших растений и вообще, организмов. Величина — не единственный фактор, делающий красные карлики потенциально неподходящими для жизни звездами, как бы то ни было. На планетах, вращающихся вокруг красных карликов, фотосинтез на ночной стороне может быть невозможен, так как никогда (или длительное время) не обращаются к своей звезде. На дневной стороне, так как солнце здесь никогда не восходит и не садится, тени гор всегда остаются в одном и том же положении, постоянно покрывая одни те же зоны (если же смена все же происходит, то светило двигалось бы по небу планеты крайне медленно). Фотосинтез, как мы его понимаем, может быть осложнен тем фактом, что красные карлики производят много излучения в инфракрасном спектре, тогда как на Земле этот процесс зависит от лучей в видимом спектре. Существует и потенциально позитивный сценарий. Многочисленные земные экосистемы, основанные на хемосинтезе предпочтительнее, чем основанные на фотосинтезе, к примеру, поскольку именно они вероятнее всего, могут существовать на планетах, вращающихся вокруг красных карликов. Устойчивое же положение звезды на небе планеты снимает необходимость местных растений поворачивать листья вслед за движением светила по небу, менять режим жизнедеятельности в зависимости от изменений в освещенности, или переходя от фотосинтеза к использованию накопленной в течение дня энергии. Ввиду отсутствия смены дня и ночи, включая слабый свет утром и вечером, значительно больше энергии от усвоенного излучения звезды может быть доступно. Красные карлики могут быть более изменчивыми и бурными, чем их более стабильные, большие сестры. Часто они покрываются пятнами, подобными тем, что возникают на солнце яркость их свечения может ослабляться до 40 % в течение многих месяцев, пока в какой-то момент не возникнет гигантская вспышка, во время которой яркость звезды может удвоиться в течение считанных минут. Такие изменения могут быть очень вредны для жизни, так как они не только могут разрушать органические соединения, основу живых организмов, но также «сдувать» значительный объём атмосферы планет. Для потенциально обитаемой планеты, вращающейся вокруг красного карлика, чтобы быть местом возникновения жизни, это может потребовать мощного вращающегося магнитного поля, могущего защищать планету от вспышек. Однако планета, подвергаясь воздействию приливных сил, вращается, только очень медленно, и в её ядре не может возникнуть эффект геодинамо. Однако, период бурных вспышек красных карликов в течение их жизненного цикла, длится приблизительно первые 1, 2 миллиарда лет в течение её существования. Если планета сформировалась далеко от звезды, вне действия приливных сил, и затем переместилась в обитаемую зону, уже после окончания этого периода бурных вспышек, то возможно, что жизнь имеет шанс на развитие.
Тем не менее, красные карлики, как возможное прибежище жизни, имеют одно преимущество: они живут долгое время. Жизнь охватила 4.5 миллиарда лет перед появлением человечества на земле, и жизнь, как мы знаем, будет существовать в стабильных условиях ещё более миллиарда лет. Красные карлики, в противоположность Солнцу, могут существовать до триллиона лет, потому что их термоядерная реакция протекает медленней, чем в больших звездах (также в больших звездах выгорает водород, находящийся у ядра, после чего в реакцию вступает гелий, водород же у поверхности не вступает в реакцию, в красных же карликах в реакции участвует весь водород, имеющийся в составе звезды), что имеет значение, ведь жизнь имеет больше времени для возникновения, поддержания и развития. Более того, пока вероятность обнаружения планет в обитаемой зоне вокруг отдельных красных карликов, мала, общая величина обитаемых зон вокруг всех объединенных красных карликов признается равной общей массе солнцеподобных звезд при условии их повсеместности.
13)Ближние галактики!
Наряду с характеристиками планет и звездных систем, галактическое окружение также может влиять на обитаемость. Научно обоснованы выводы, что одни зоны галактик (галактические обитаемые зоны) лучше подходят для жизни, чем другие. Солнечная система, в которой мы живем, находится в Рукаве Ориона Млечного пути, на краю галактики, и это признается наиболее предпочтительным для развития жизни местом:
Она находится не в шаровом скоплении, где чрезмерная плотность звезд очень неблагоприятна для жизни, порождая большую интенсивность излучения и гравитационные возмущения. Шаровые скопления также состоят из очень старых, бедных металлом звезд.
Она не находится вблизи от активных источников гамма-излучения.
Она не находится вблизи центра галактики, где высока плотность звезд и возможно ионизирующее излучение (например, из магнитаров или сверхновых). Также и сверхмассивная чёрная дыра, предположительно находящаяся в центре галактики, может представлять опасность для окружающих объектов.
Круглая орбита Солнца вокруг центра галактики удерживает его от выхода из спирального рукава галактики во внешнее пространство, где более интенсивное космическое излучение может действовать разрушительно.
Таким образом, относительное одиночество системы, где развивается жизнь — это насущная необходимость. Если светило будет стеснено множеством других систем, шанс на её существование неотвратимо исчезнет ввиду многократно возросшего уровня опасных излучений. Далее, ближние соседи могут нарушать стабильность, изменяя орбиты таких тел, как объекты облака Оорта и пояса Койпера, которые могут проникать внутрь звездной системы и столкнуться с обитаемой планетой.
В то время как звездные скопления демонстрируют свою невыгодность с точки зрения возможной обитаемости, точно так же неудобна и чрезмерная изоляция. Звезда, богатая металлами, очевидно, не могла бы сформироваться в отдаленных частях Млечного пути, учитывая пониженное содержание металлов и общую стесненность звездных формаций. Таким образом, «провинциальное» расположение, какое имеет наша Солнечная система, является предпочтительней, чем центр галактики или самые дальние её окраины.
Другие соображения:
1)Альтернативная биохимия!
Когда изыскания на предмет возможности внеземной жизни только начинались с допущением, что развитые формы жизни должны находиться в условиях, подобных земным, гипотезы о возможных других типах биохимии предлагали развитие форм жизни с другим типом обмена веществ. В «Эволюции инопланетянина» (Evolving the Alien), биолог Джек Коэн (Jack Cohen) и математик Йен Стюарт (Ian Stewart) спорили, говоря что астробиологи, основывающиеся в своих суждениях на Гипотезе Уникальной Земли, ограничены и лишены воображения. Они предположили, что землеподобные планеты могут быть редки, но неуглеродные живые комплексы вполне могли сформироваться и в других условиях. Наиболее часто, как альтернатива углероду, предлагался кремний, в то время, как аммиак предлагался, как альтернатива воде. Большее число умозрительных идей сосредоточились на рассмотрении тел совсем иных, нежели землеподобные планеты. Астроном Фрэнк Дрейк (Frank Drake), общеизвестный инициатор поиска внеземной жизни, воображаемой жизни на нейтронных звездах: субмикроскопических «ядерных молекулах» объединяющихся в виде существ с жизненным циклом в миллионы раз быстрее, чем у существ на Земле. Названная «воображаемой и лукавой», эта идея получила широкое распространение в научной фантастике. Карл Саган, другой оптимист и сторонник идеи внеземной жизни, обосновал возможность существования тонких организмов, обитающих в верхних слоях атмосферы Юпитера в 1976 в одной из газет. Коэн и Стюарт также придумали возможность жизни в условиях систем с двойными звездами и в атмосфере газовых гигантов.
2)«Хорошие Юпитеры»!
«Хорошие Юпитеры» — это планеты—газовые гиганты, подобные Юпитеру в нашей солнечной системе, чей путь по орбитам вокруг их звезд пролегает достаточно далеко от обитаемой зоны, чтобы не создавать там гравитационных возмущений, но достаточно близко, чтобы защищать землеподобные планеты двумя важными способами. Во-первых, они помогают стабилизировать орбиту, а значит, и климат на внутренних планетах. Во-вторых, они поддерживают внутреннюю часть солнечной системы относительно свободной от комет и астероидов, могущих стать причиной столкновений с обитаемыми планетами, приводящим к катастрофическим последствиям. Орбита Юпитера вокруг Солнца имеет приблизительно в пять раз больший радиус, нежели радиус орбиты Земли или расстояние от Земли до Солнца. Приблизительно на таком расстоянии мы ожидаем увидеть «хороший Юпитер» где-то в другом месте. «Ответственная роль» Юпитера была наглядно продемонстрирована в 1994, когда комета «Шумейкер — Лейви — 9» (Shoemaker-Levy 9) столкнулась с гигантом; если бы гравитация Юпитера не захватила комету, она могла проникнуть в Солнечную систему. В ранней истории солнечной системы Юпитер играл несколько другую роль: он повышал эксцентриситет орбит многих объектов в поясе астероидов и направлял их на пересечение земной орбиты и таким образом способствовал «доставке» на планеты многих важных легких элементов. В начале Земля имела половину от нынешней массы, однако она набирала массу, в немалой степени, за счет столкновения с разными космическими объектами, так ледяные тела из областей Юпитера — Сатурна и малые тела из первичного пояса астероидов доставляя воду к Земле, при обязательном действии гравитации Юпитера и в меньшей степени, из окрестностей Сатурна. Таким образом, в то время как газовые гиганты ныне выступают, как своеобразные защитники, в те времена они выступали, как поставщики важных для жизни материалов. Таким образом, юпитероподобные тела, чьи орбиты слишком близко к обитаемой зоне, но не в ней (как в 47 Большой Медведицы), или имеют сильно эллиптическую орбиту пересекающую обитаемую зону (подобные 16 Лебедя B) делают очень затруднительным возможное появление землеподобных планет в таких системах. Эта тема была освещена в статье «Стабильная обитаемая зона».
3)Влияние жизни на обитаемость!
В дополнение к факторам, способствующим появлению жизни, существует мнение, что жизнь, сформировавшись, становится сама по себе важнейшим фактором обитаемости. Важнейшим примером этого в истории Земли может служить выработка кислорода древними цианобактериями, и со временем, также и фотосинтезирующими растениями, сыгравшими главную роль в изменении состава земной атмосферы. Этот кислород в будущем сыграет важнейшую роль в становлении сформировавшихся позже животных видов. Это взаимодействие между жизнью и явившейся вследствие этого обитаемостью была исследована разными путями. В том числе это привело к появлению довольно необычных гипотез, стоящих на позициях геотеизма. Гипотеза Геи, классическая научная модель геобиосферы была предложена сэром Джеймсом Лавлоком (Sir James Lovelock), утверждает, что жизнь в целом устанавливает и поддерживает стабильные условия для себя, помогая создавать пригодное планетарное окружение для собственного существования; одной из самых впечатляющих идей в гипотезе Геи является то, что планета ведет себя подобно живому организму. Наиболее успешно развивающиеся живые организмы меняют состав воздуха, воды и почвы в процессе своего существования, что делает их дальнейшее существование более безопасным — сомнительное усовершенствование общепринятых законов экологии. Точно также, Дэвид Гринспун (David Grinspoon) выдвинул «Гипотезу Живой Земли» в которой наше понимание того, что такое обитаемость не может рассматриваться отдельно от существующей на Земле жизни. Планеты, геологически и метеорологически живые, вероятнее всего, говорит теория, будут живыми и биологически и «планета и жизнь на ней будут развиваться совместно». В изданной в 2004 году книге «Привилегированная планета» (The Privileged Planet), астроном Гильермо Гонсалес (Guillermo Gonzalez) и философ Джей Ричардс (Jay Richards) исследовали возможность связи между обитаемостью планеты и её пригодностью для наблюдения за остальной частью Вселенной. Книга была раскритикована, как пример следования идее «Разумного замысла» и отсутствия научного замысла.
Теги: Жизнь!,Космос!,Планеты!
