Гледайки към бъдещето, НАСА и други космически агенции имат големи надежди в областта на изследванията на извън слънчевата планета. През изминалото десетилетие броят на известните екзопланети е достигнал едва до 4000, а много други се очаква да бъдат открити, след като телескопите от следващото поколение бъдат пуснати в експлоатация. И с толкова много екзопланети за изучаване, изследователските цели бавно се изместват от процеса на откриване и към характеризиране.
За съжаление, учените все още са поразени от факта, че това, което ние считаме за „обитаема зона“, е обект на множество предположения. В отговор на това, наскоро международен екип от изследователи публикува документ, в който те посочват как бъдещите проучвания на екзопланети могат да изглеждат отвъд земните аналози като показатели за обитаемост и да приемат по-всеобхватен подход.
Документът, озаглавен „Предсказваеми зони за обитаване и как да ги тестваме“, наскоро се появи в интернет и беше представен като бяла книга в Десеталното проучване за астрономия и астрофизика Astro 2020. Екипът зад него се ръководеше от Рамзес М. Рамирес, изследовател от Института за наука за Земята-живот (ELSI) и Института за космически науки (SSI), към който се присъединиха съавтори и съучастници от 23 университета и институции.
Целта на десетилетното проучване е да се разгледа постигнатият напредък в различни области на научните изследвания и да се определят приоритети за следващото десетилетие. Като такова, проучването предоставя ключови насоки за НАСА, Националната космическа фондация (NSF) и Министерството на енергетиката, тъй като те планират своите цели за астрономия и астрофизика в бъдеще.
Понастоящем много от тези цели се фокусират върху изучаването на екзопланети, което ще се възползва през следващите години от разполагането на телескопи от ново поколение като Космически телескоп Джеймс Уеб (JWST) и Инфрачервен космически телескоп с широко поле (WFIRST), както и наземни обсерватории като Изключително голям телескоп (ELT), Телескопът на тридесет метра и телескопа Giant Magellan (GMT).
Един от най-важните приоритети на изследването на екзопланетите е търсенето на планети, където би могъл да съществува извънземен живот. В това отношение учените определят планетите като „потенциално обитаеми” (и следователно достойни за последващи наблюдения) въз основа на това дали те обикалят около или в рамките на обитаемите зони на звездите си (HZ). Поради тази причина е разумно да разгледаме какво се превръща в дефинирането на HZ.
Както Рамирес и неговите колеги посочиха в своя документ, един от основните проблеми с обитаемостта на екзопланетите е нивото на предположенията, които се правят. За да го разградят, повечето дефиниции на HZs предполагат наличието на вода на повърхността, тъй като това е единственият разтворител, който в момента е жизнен живот. Същите тези определения предполагат, че животът изисква скалиста планета с тектонична активност, обикаляща около орбитата на подходяща ярка и топла звезда.
Скорошните изследвания обаче поставят под съмнение много от тези предположения. Това включва изследвания, които показват как атмосферният кислород не означава автоматично присъствието на живот - особено ако този кислород е резултат от химическа дисоциация, а не от фотосинтеза. Други изследвания показват как наличието на кислороден газ през ранните периоди на еволюцията на планетата може да предотврати появата на основни форми на живот.
Освен това има скорошни проучвания, които показват как тектониката на плочите може да не е необходима за появата на живота и че така наречените „водни светове“ може да не са в състояние да поддържат живота (но все пак биха могли). На всичкото отгоре имате теоретична работа, която предполага, че животът може да се развива в морета от метан или амоняк върху други небесни тела.
Ключовият пример тук е лунният титан на Сатурн, който може да се похвали с среда, богата на пребиотични условия и органична химия - които някои учени смятат, че могат да подкрепят екзотичните форми на живот. В крайна сметка учените търсят известни биомаркери като вода и въглероден диоксид, тъй като те са свързани с живота на Земята, единственият известен пример за животворна планета.
Но както Рамирес обясни пред Space Magazine по имейл, този начин на мислене (където аналозите на Земята се считат за подходящи за живот) все още е изпълнен с проблеми:
„Класическата дефиниция на обитаемата зона е дефектна, тъй като нейното изграждане се основава главно на земноцентрични климатологични аргументи, които могат или не могат да бъдат приложими за други потенциално обитаеми планети. Например, той предполага, че атмосферата на CO2 с много барове може да бъде поддържана на потенциално обитаеми планети в близост до външния край на обитаемата зона. Въпреки това, толкова високи нива на CO2 са токсични за земните растения и животни и затова без по-добро разбиране на границите на живота, ние не знаем колко разумно е това предположение.
„Класическият HZ също приема, че CO2 и H2O са ключовите парникови газове, поддържащи потенциално обитаеми планети, но няколко проучвания през последните години са разработили алтернативни дефиниции на HZ, използвайки различни комбинации от парникови газове, включително тези, които, макар и относително незначителни на Земята, биха могли да бъдат важно за други потенциално обитаеми планети. "
В предишно проучване от д-р Рамирес показа как присъствието на метан и водороден газ също може да причини
За щастие тези определения ще имат възможността да бъдат тествани, благодарение на разполагането на телескопи от следващо поколение. Не само учените ще могат да изпробват някои от дългогодишните предположения, на които се основават HZs,
„Телескопите от следващо поколение биха могли да тестват обитаемата зона, като търсят прогнозирано увеличение на атмосферното налягане на CO2 толкова по-далеч, че потенциално обитаемите планети са от своите звезди. Това също би тествало дали карбонат-силикатният цикъл, който според мнозина е поддържал обитаемата ни планета през по-голямата част от нейната история, е универсален процес или не. "
При този процес силикатните скали се превръщат във въглеродни скали чрез атмосферни влияния и ерозия, докато въглеродните скали се превръщат в силикатни скали чрез вулканична и геоложка активност. Този цикъл осигурява дългосрочна стабилност на земната атмосфера, като поддържа нивата на CO2 последователни във времето. Той също така илюстрира как тектониката на водата и плочите е от съществено значение за живота, както го познаваме.
Този тип цикъл обаче може да съществува само на планети, които имат земя, което ефективно изключва „водните светове“. Смята се, че тези екзопланети - които могат да се срещат около звезди от тип М (червено джудже), са до 50% вода. С това количество вода на техните повърхности вероятно е „водните светове“ да имат плътни слоеве лед на границата на ядрото и мантията си, като по този начин предотвратяват хидротермалната активност.
Но както вече беше отбелязано, има някои изследвания, които показват, че тези планети все още биха могли да бъдат обитаеми. Докато изобилието от вода би попречило на абсорбирането на въглероден диоксид от скали и потиска вулканичната активност, симулациите показват, че тези планети все още могат да циклират въглерод между атмосферата и океана, като по този начин поддържат климата стабилен.
Ако тези видове океански светове съществуват, казва д-р Рамирес, учените биха могли да ги открият чрез тяхната по-ниска планетарна плътност и атмосфера с високо налягане. И тогава става въпрос за различни парникови газове, които не винаги са индикация за по-топли планетарни атмосфери, в зависимост от вида на звездата.
„Въпреки че метанът затопля нашата планета, ние открихме, че метанът всъщност охлажда повърхностите на обитаеми зонови планети, обикалящи около орбитите червени звезди джуджета!“ той каза. „Ако случаят е такъв, високото количество атмосферен метан на такива планети може да означава замразени условия, които може би са неподходящи за живот на хостинг. Ще можем да наблюдаваме това в планетарни спектри. "
Говорейки за червени джуджета, дебатът води до това дали планетите, които обикалят около тези звезди, могат да поддържат атмосфера или не. През последните няколко години бяха направени множество открития, които предполагат, че скалистите, подбрани под формата на платно са често срещани около звездите на червените джуджета и орбитат в рамките на съответните звезди на техните звезди.
Последващи изследвания обаче затвърдиха теорията, че нестабилността на червените звезди-джуджета вероятно би довела до слънчеви пламъци, които биха събличали всякакви планети, обикалящи ги около тяхната атмосфера. И накрая, Рамирес и неговите колеги повдигат възможността обитаемите планети да могат да бъдат намерени в орбита на онова, което (доскоро) се е смятало за малко вероятен кандидат.
Това биха били главните звезди от тип А - като Сириус А, Алтаир и Вега - които се смятаха за твърде светли и горещи, за да са подходящи за обитаемост. Каза д-р Рамирес за тази възможност:
„Интересува ме също да разбера дали съществува живот на обитаеми зонови планети, обикалящи около A-звезди. Не са публикувани много оценки за обитаемостта на планетата с A-star, но някои архитектури от следващо поколение планират да ги наблюдават. Скоро ще научим повече за пригодността на A-звездите за живот. “
В крайна сметка, проучвания като това, които поставят под въпрос дефиницията на „обитаема зона“, ще дойдат в полезност, когато мисиите от ново поколение започват научни операции. Със своите инструменти с по-висока разделителна способност и по-чувствителни те ще могат да тестват и валидират много от прогнозите, направени от учените.
Тези тестове също ще потвърдят дали животът може да съществува или не само там, както го знаем, или извън параметрите, които считаме за „подобни на Земята“. Но както добави Рамирес, изследването, което той и неговите колеги проведе, също подчертава колко важно е да продължаваме да инвестираме в напреднали телескопни технологии:
„Нашата хартия също подчертава значението на непрекъснатите инвестиции в модерни телескопни технологии. Трябва да можем да намерим и характеризираме възможно най-много обитаеми зонови планети, ако искаме да увеличим максимално шансовете си да намерим живот. Въпреки това се надявам, че нашата хартия вдъхновява хората да мечтаят отвъд следващите 10 години. Наистина вярвам, че в крайна сметка ще има мисии, които ще бъдат много по-способни от всичко, което проектираме в момента. Нашите настоящи усилия са само началото на много по-ангажирано начинание за нашия вид. "
Заседанието на Десетилетичното проучване през 2020 г. се организира съвместно от Съвета по физика и астрономия и Комитета за космически изследвания на Националната академия на науките и ще бъде последвано от доклад, който ще бъде публикуван приблизително след две години.
