Życie prawdopodobnie nie może istnieć na tak wielu planetach, jak kiedyś myśleliśmy

Adrian Pelletier | Unsplash

Kiedy Obserwatorium Kosmiczne Keplera wystartowało w 2009 roku, zaczęło znajdować planety wokół innych gwiazd w tempie, które zachwyciło astronomów. Dane te doprowadziły do ​​oszacowania, że ​​nasza galaktyka musi zawierać około 40 miliardów planet podobnych do Ziemi, krążących w ekosferach gwiazd podobnych do Słońca i czerwonych karłów.

Strefa nadająca się do zamieszkania to obszar wokół gwiazdy, w którym na powierzchni planety może istnieć woda w stanie ciekłym. Jest to ważne, ponieważ dowody na Ziemi sugerują, że woda w stanie ciekłym ma kluczowe znaczenie dla życia. A jeśli życie zaczyna się łatwo na światach podobnych do Ziemi, dane z Keplera sugerują, że nasza galaktyka musi tętnić życiem. Trwa więc wyścig, aby znaleźć na to dowody. Różne teleskopy kosmiczne są projektowane w celu poszukiwania unikalnej sygnatury spektroskopowej, którą musi wytworzyć życie.

Jednak kluczowym wyzwaniem będzie znalezienie najlepszych celów — planet, na których warunki wydają się najbardziej sprzyjać złożonemu życiu. A astrobiolodzy zaczęli podkreślać, że sama woda w stanie ciekłym nie wystarczy. Jeśli Ziemia jest czymś, przez co można przejść, ważny jest również udział innych molekuł. Na przykład zbyt dużo dwutlenku węgla lub tlenku węgla zabija złożone życie, jakie znamy.

Dzisiaj Edward Schwieterman z NASA Astrobiology Institute w Riverside w Kalifornii wraz z kilkoma kolegami zrewidowali definicję strefy nadającej się do zamieszkania, aby uwzględnić poziom tlenku i dwutlenku węgla. W rezultacie, twierdzą, że strefa nadająca się do zamieszkania dla złożonego życia musi być znacznie mniejsza – około jedna czwarta tak szeroka, jak pozwala na to poprzednia definicja. Nasze wyniki mają szereg ważnych implikacji dla poszukiwań biosygnatur egzoplanet i złożonego życia poza naszym Układem Słonecznym, mówią Schwieterman i spółka.

Najpierw trochę tła. Wielkość strefy nadającej się do zamieszkania jest trudna do obliczenia, ponieważ temperatury powierzchni zależą od różnych procesów zwrotnych w atmosferze, takich jak efekt cieplarniany. Konwencjonalna definicja strefy nadającej się do zamieszkania określa atmosferę zawierającą azot, dwutlenek węgla i wodę, ustabilizowaną przez ten sam proces sprzężenia zwrotnego węglanowo-krzemianowego, który istnieje na Ziemi.

Cykl węglanowo-krzemianowy to długotrwały proces, w którym skały krzemianowe reagują z wodą i dwutlenkiem węgla, tworząc skały węglanowe, które są następnie przekształcane z powrotem w skały krzemianowe i gazowy dwutlenek węgla pod wpływem wysokich ciśnień i temperatur oraz przez wulkanizm. Prowadzi to do pętli sprzężenia zwrotnego, która utrzymuje poziom dwutlenku węgla w atmosferze na stosunkowo stabilnym poziomie, umożliwiając efekt cieplarniany wzrost temperatury powierzchni.

Na wewnętrznej krawędzi strefy nadającej się do zamieszkania, stosunkowo niski poziom dwutlenku węgla może wytworzyć temperaturę wystarczająco wysoką dla wody w stanie ciekłym. Na Ziemi niezbędne poziomy dwutlenku węgla zmieniały się w historii od dziesiątek do setek części na milion.

Ale w środkowych i zewnętrznych rejonach strefy nadającej się do zamieszkania stężenie dwutlenku węgla w atmosferze musi być znacznie wyższe, aby utrzymać temperatury sprzyjające wodzie powierzchniowej, mówią Schwieterman i współpracownicy.

Na przykład, jedną z egzoplanet często uważaną za dobrą kandydatkę do życia pozaziemskiego jest Kepler-62f. Ta planeta ma masę około trzy razy większą od Ziemi i krąży wokół swojego macierzystego gwiazdozbioru Liry, mniej więcej w tej samej odległości co Wenus. Ale ponieważ gospodarz jest mniej jasny niż Słońce, Kepler-62F otrzymuje mniej więcej taką samą ilość światła słonecznego jak Mars, więc znajduje się na zewnętrznej krawędzi strefy nadającej się do zamieszkania.

Efekt cieplarniany może z łatwością sprawić, że Kepler-62f będzie wystarczająco ciepły dla wody w stanie ciekłym. Ale Schwieterman i spółka obliczyli, że do załatwienia sprawy potrzeba od trzech do pięciu barów dwutlenku węgla. To 1000 razy więcej niż kiedykolwiek istniało na Ziemi w historii złożonego życia tutaj.

Zespół wskazuje, że te poziomy dwutlenku węgla są trujące dla najbardziej złożonego życia na Ziemi obecnie, i uważa się, że podwyższony poziom w przeszłości był istotnym czynnikiem masowego wymierania. Przy określaniu stref zamieszkałych należy wziąć pod uwagę fizjologiczne granice poziomu dwutlenku węgla, które może tolerować życie. Zatem Kepler-62f może nie być tak dobrym kandydatem.

Tlenek węgla zagraża również złożonemu życiu. Schwieterman i wsp. obliczyli, że planety krążące wokół chłodnych gwiazd prawdopodobnie będą miały wyższy poziom tlenku węgla, ponieważ warunki fotochemiczne bardziej sprzyjają jego wytwarzaniu. Nakłada to kolejne ograniczenie na strefy nadające się do zamieszkania.

Ostateczne obliczenia zespołu polegają na ustaleniu, w jaki sposób te ograniczenia zmieniają nasze obecne zrozumienie wielkości strefy nadającej się do zamieszkania. Jedną z implikacji jest to, że możemy nie spodziewać się znalezienia oznak inteligentnego życia lub technosygnatur na planetach krążących wokół późnych karłów typu M lub na potencjalnie nadających się do zamieszkania planetach w pobliżu zewnętrznej krawędzi ich stref zamieszkałych, mówią Schwieterman i spółka.

Będzie to miało znaczący wpływ na przyszłe poszukiwania biosygnatur z innych planet. Astronomowie mogą zdecydować się na skupienie się na cieplejszych, podobnych do Słońca gwiazdach, w których warunki dla złożonego życia są prawdopodobnie korzystniejsze.

Ale projektanci przyszłych teleskopów kosmicznych nie muszą obawiać się braku celów. Nawet jeśli strefa nadająca się do zamieszkania jest znacznie mniejsza niż wcześniej sądzono, istnieje prawdopodobieństwo, że w samej naszej galaktyce będzie wiele setek milionów kandydatów. To powinno wystarczyć na aktualnie zaplanowane misje.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1902.04720 : Ograniczona strefa do zamieszkania dla złożonego życia

ukryć