Wie suchen sie nach Planeten in der bewohnbaren Zone, welche Bedingungen sind für die Bildung des Lebens notwendig und was ist interessant an der Entdeckung des Exoplaneten Proxima b
Die bewohnbare Zone, die auf Englisch als bewohnbare Zone bezeichnet wird, ist ein Gebiet im Weltraum mit den günstigsten Lebensbedingungen für den terrestrischen Typ. Der Begriff Lebensraum bedeutet, dass fast alle Lebensbedingungen erfüllt sind, wir sehen es einfach nicht. Die Eignung für das Leben wird durch folgende Faktoren bestimmt: das Vorhandensein von Wasser in flüssiger Form, eine ausreichend dichte Atmosphäre, chemische Vielfalt (einfache und komplexe Moleküle auf der Basis von H, C, N, O, S und P) und das Vorhandensein eines Sterns, der die erforderliche Energiemenge bringt.
Studiengeschichte: terrestrische Planeten
Aus astrophysikalischer Sicht gab es mehrere Impulse für die Entstehung des Konzepts einer bewohnbaren Zone. Betrachten Sie unser Sonnensystem und vier terrestrische Planeten: Merkur, Venus, Erde und Mars. Quecksilber hat keine Atmosphäre und ist zu nah an der Sonne, daher für uns nicht sehr interessant. Dies ist ein Planet mit einem traurigen Schicksal, denn selbst wenn er eine Atmosphäre hätte, würde er vom Sonnenwind weggetragen, dh einem Plasmastrom, der kontinuierlich aus der Korona des Sterns fließt.
Betrachten Sie den Rest der terrestrischen Planeten im Sonnensystem - das sind Venus, Erde und Mars. Sie entstanden praktisch am selben Ort und unter denselben Bedingungen vor ~ 4,5 Milliarden Jahren. Aus daher sollte aus Sicht der Astrophysik ihre Entwicklung ziemlich ähnlich sein. Zu Beginn des Weltraumzeitalters, als wir die Erforschung dieser Planeten mit Raumfahrzeugen vorangetrieben haben, zeigten die erhaltenen Ergebnisse extrem unterschiedliche Bedingungen auf diesen Planeten. Wir wissen jetzt, dass die Venus einen sehr hohen Druck hat und an der Oberfläche sehr heiß ist (460–480 ° C) - dies sind Temperaturen, bei denen viele Substanzen sogar schmelzen. Und bei den ersten Panoramaaufnahmen der Oberfläche haben wir gesehen, dass sie völlig leblos und praktisch nicht an das Leben angepasst ist. Die gesamte Oberfläche ist ein Kontinent.
Erdplaneten - Merkur, Venus, Erde, Mars
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Auf der anderen Seite Mars. Es ist eine kalte Welt. Der Mars hat seine Atmosphäre verloren. Dies ist wieder eine Wüstenoberfläche, obwohl es Berge und Vulkane gibt. Die Kohlendioxidatmosphäre ist sehr dünn; Wenn das Wasser da war, war alles gefroren. Der Mars hat eine Polkappe, und die jüngsten Ergebnisse einer Mission zum Mars legen nahe, dass Eis unter der sandigen Decke - dem Regolithen - existiert.
Und die Erde. Sehr günstige Temperatur, Wasser gefriert nicht (zumindest nicht überall). Und auf der Erde entstand Leben - sowohl primitives als auch vielzelliges, intelligentes Leben. Es scheint, dass wir einen kleinen Teil des Sonnensystems sehen, in dem drei Planeten, sogenannte Erdplaneten, gebildet wurden, aber ihre Entwicklung ist völlig anders. Und auf diesen ersten Ideen über die möglichen Entwicklungswege der Planeten selbst entstand die Idee der bewohnbaren Zone.
Grenzen der bewohnbaren Zone
Astrophysiker beobachten und studieren die Welt um uns herum, den Weltraum, der uns umgibt, dh unser Sonnensystem und Planetensysteme in anderen Sternen. Und um irgendwie zu systematisieren, wo man suchen muss, an welchen Objekten man interessiert sein muss, muss man verstehen, wie man die bewohnbare Zone bestimmt. Wir haben immer geglaubt, dass andere Sterne Planeten haben sollten, aber die instrumentelle Kraft ermöglichte es uns, die ersten Exoplaneten - Planeten außerhalb des Sonnensystems - vor nur 20 Jahren zu entdecken.
Wie werden die inneren und äußeren Grenzen der Wohnzone bestimmt? Es wird angenommen, dass sich in unserem Sonnensystem die bewohnbare Zone in einer Entfernung von 0,95 bis 1,37 astronomischen Einheiten von der Sonne befindet. Wir wissen, dass die Erde 1 astronomische Einheit (AU) von der Sonne entfernt ist, die Venus 0,7 AU. Mars - 1,5 a. Das heißt, wenn wir die Leuchtkraft eines Sterns kennen, ist es sehr einfach, das Zentrum der bewohnbaren Zone zu berechnen. Sie müssen nur die Quadratwurzel des Verhältnisses der Leuchtkraft dieses Sterns ziehen und sich auf die Leuchtkraft der Sonne beziehen, das heißt:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Hier ist Rae der durchschnittliche Radius der bewohnbaren Zone in astronomischen Einheiten, und Lstar und Lsun sind die bolometrischen Leuchtstärken des gesuchten Sterns bzw. der Sonne. Die Grenzen der bewohnbaren Zone werden basierend auf der Anforderung festgelegt, dass auf den darin befindlichen Planeten flüssiges Wasser vorhanden sein muss, da es bei vielen biomechanischen Reaktionen ein notwendiges Lösungsmittel ist. Jenseits der Außengrenze der bewohnbaren Zone erhält der Planet nicht genügend Sonnenstrahlung, um Strahlungsverluste auszugleichen, und seine Temperatur sinkt unter den Gefrierpunkt von Wasser. Ein Planet, der näher am Stern liegt als die innere Grenze der bewohnbaren Zone, wird durch seine Strahlung übermäßig erwärmt, wodurch das Wasser verdunstet.
Streng genommen wird die innere Grenze sowohl durch die Entfernung des Planeten vom Stern als auch durch die Zusammensetzung seiner Atmosphäre bestimmt, insbesondere durch das Vorhandensein der sogenannten Treibhausgase: Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Ammoniak und andere. Wie Sie wissen, verursachen Treibhausgase eine Erwärmung der Atmosphäre, was im Falle eines katastrophal wachsenden Treibhauseffekts (z. B. der frühen Venus) zur Verdunstung von Wasser von der Planetenoberfläche und zum Verlust aus der Atmosphäre führt.
Die Außengrenze ist bereits die andere Seite des Problems. Es kann viel weiter sein, wenn wenig Energie von der Sonne kommt und das Vorhandensein von Treibhausgasen in der Marsatmosphäre nicht ausreicht, um durch den Treibhauseffekt ein mildes Klima zu schaffen. Sobald die Energiemenge nicht mehr ausreicht, kondensieren Treibhausgase (Wasserdampf, Methan usw.) aus der Atmosphäre, fallen als Regen oder Schnee und so weiter. Und die tatsächlichen Treibhausgase haben sich unter der Polkappe auf dem Mars angesammelt.
Es ist sehr wichtig, ein Wort über die bewohnbare Zone für Sterne außerhalb unseres Sonnensystems zu sagen: Potenzial ist eine Zone potenzieller Bewohnbarkeit, dh es werden Bedingungen erfüllt, die notwendig, aber nicht ausreichend für die Bildung von Leben sind. Hier müssen wir über die Lebensfähigkeit des Planeten sprechen, wenn eine Reihe von geophysikalischen und biochemischen Phänomenen und Prozessen ins Spiel kommen, wie das Magnetfeld des Planeten, die Plattentektonik, die Dauer der Planetentage und so weiter. Die aufgeführten Phänomene und Prozesse werden derzeit aktiv in einer neuen Richtung der astronomischen Forschung untersucht - der Astrobiologie.
Suche nach Planeten in der bewohnbaren Zone
Astrophysiker suchen einfach nach Planeten und stellen dann fest, ob sie sich in der bewohnbaren Zone befinden. Anhand astronomischer Beobachtungen können Sie erkennen, wo sich dieser Planet befindet und wo sich seine Umlaufbahn befindet. Wenn Sie sich in der bewohnbaren Zone befinden, steigt sofort das Interesse an diesem Planeten. Als nächstes müssen Sie diesen Planeten unter anderen Aspekten untersuchen: Atmosphäre, chemische Vielfalt, Vorhandensein von Wasser und Wärmequelle. Dies führt uns bereits geringfügig aus den Klammern des Begriffs "Potenzial" heraus. Das Hauptproblem ist jedoch, dass all diese Sterne sehr weit entfernt sind.
Es ist eine Sache, einen Planeten in der Nähe eines Sterns wie der Sonne zu sehen. Es gibt eine Reihe von Exoplaneten, die unserer Erde ähnlich sind - die sogenannten Unter- und Supererden, dh Planeten mit Radien nahe oder geringfügig über dem Radius der Erde. Astrophysiker untersuchen sie, indem sie die Atmosphäre untersuchen. Wir sehen keine Oberflächen - nur in Einzelfällen, der sogenannten direkten Bildgebung, wenn wir nur einen sehr weit entfernten Punkt sehen. Daher müssen wir untersuchen, ob dieser Planet eine Atmosphäre hat und wenn ja, wie er zusammengesetzt ist, welche Gase vorhanden sind und so weiter.
Exoplanet (roter Punkt links) und Brauner Zwerg 2M1207b (Mitte). Erstes Bild, das 2004 mit direkter Bildgebungstechnologie aufgenommen wurde
ESO / VLT
Im weitesten Sinne ist die Suche nach Leben außerhalb des Sonnensystems und im Sonnensystem die Suche nach sogenannten Biomarkern. Es wird angenommen, dass Biomarker chemische Verbindungen biologischen Ursprungs sind. Wir wissen, dass der wichtigste Biomarker auf der Erde beispielsweise das Vorhandensein von Sauerstoff in der Atmosphäre ist. Wir wissen, dass es auf der frühen Erde sehr wenig Sauerstoff gab. Das einfachste, primitive Leben entstand früh, das vielzellige Leben entstand ziemlich spät, ganz zu schweigen von intelligent. Aber dann begann sich aufgrund der Photosynthese Sauerstoff zu bilden, die Atmosphäre veränderte sich. Und dies ist einer der möglichen Biomarker. Aus anderen Theorien wissen wir nun, dass es eine Reihe von Planeten mit Sauerstoffatmosphäre gibt, aber die Bildung von molekularem Sauerstoff dort wird nicht durch biologische, sondern durch gewöhnliche physikalische Prozesse verursacht. Nehmen wir an, die Zersetzung von Wasserdampf unter dem Einfluss von ultravioletter Sternstrahlung. Daher ist all die Begeisterung, dass es sich, sobald wir molekularen Sauerstoff sehen, um einen Biomarker handelt, nicht ganz gerechtfertigt.
Mission "Kepler"
Das Kepler-Weltraumteleskop (CT) ist eine der erfolgreichsten astronomischen Missionen (natürlich nach dem Hubble-Weltraumteleskop). Es zielt darauf ab, Planeten zu finden. Dank der Kepler-CT haben wir einen Quantensprung in der Exoplanetenforschung gemacht.
Der Kepler CT konzentrierte sich auf eine Art der Entdeckung - die sogenannten Transite, bei denen ein Photometer - das einzige Instrument an Bord des Satelliten - die Helligkeitsänderung eines Sterns in dem Moment verfolgte, in dem der Planet zwischen ihm und dem Teleskop vorbeifuhr. Dies gab Auskunft über die Umlaufbahn des Planeten, seine Masse und sein Temperaturregime. Dies ermöglichte es, im ersten Teil dieser Mission etwa 4500 potenzielle Planetenkandidaten zu identifizieren.
Weltraumteleskop "Kepler"
NASA
In der Astrophysik, Astronomie und wahrscheinlich in der gesamten Naturwissenschaft ist es üblich, Entdeckungen zu bestätigen. Das Photometer zeichnet auf, dass sich die Helligkeit des Sterns ändert, aber was kann das bedeuten? Vielleicht hat der Stern irgendeine Art von internen Prozessen, die zu Veränderungen führen; Die Planeten ziehen vorbei - es ist dunkel. Daher ist es notwendig, die Häufigkeit von Änderungen zu betrachten. Um jedoch sicher zu sein, dass es Planeten gibt, müssen Sie dies auf irgendeine Weise bestätigen - beispielsweise durch Ändern der Radialgeschwindigkeit des Sterns. Das heißt, jetzt gibt es ungefähr 3600 Planeten - dies sind Planeten, die durch verschiedene Beobachtungsmethoden bestätigt wurden. Und es gibt fast 5.000 potenzielle Kandidaten.
Proxima Centauri
Im August 2016 wurde die Anwesenheit eines Planeten namens Proxima b in der Nähe des Sterns Proxima Centauri bestätigt. Warum ist es für alle so interessant? Aus einem sehr einfachen Grund: Es ist der unserer Sonne am nächsten liegende Stern in einer Entfernung von 4,2 Lichtjahren (dh Licht legt diese Entfernung in 4,2 Jahren zurück). Dies ist der uns am nächsten liegende Exoplanet und möglicherweise der dem Sonnensystem am nächsten gelegene Himmelskörper, auf dem Leben existieren kann. Die ersten Messungen wurden 2012 durchgeführt, aber da dieser Stern ein kühler roter Zwerg ist, musste eine sehr lange Reihe von Messungen durchgeführt werden. Eine Reihe von wissenschaftlichen Teams des European Southern Observatory (ESO) beobachten den Stern seit mehreren Jahren. Sie erstellten eine Website namens Pale Red Dot (palereddot.org - ed.), Das heißt, ein 'Pale Red Dot', und veröffentlichten dort Beobachtungen. Astronomen zogen verschiedene Beobachter an, und es war möglich, die Ergebnisse der Beobachtungen öffentlich zu verfolgen. So war es möglich, den Entdeckungsprozess dieses Planeten fast online zu verfolgen. Und der Name des Beobachtungsprogramms und der Website geht auf den Begriff Pale Red Dot zurück, den der renommierte amerikanische Wissenschaftler Carl Sagan für Bilder des Planeten Erde geprägt hat, die von Raumfahrzeugen aus den Tiefen des Sonnensystems übertragen wurden. Wenn wir versuchen, einen Planeten wie die Erde in anderen Sternensystemen zu finden, können wir uns vorstellen, wie unser Planet aus den Tiefen des Weltraums aussieht. Dieses Projekt wurde Pale Blue Dot ('hellblauer Punkt') genannt, weil unser Planet aufgrund der Leuchtkraft der Atmosphäre aus dem Weltraum als blauer Punkt sichtbar ist. Es war möglich, den Entdeckungsprozess dieses Planeten fast online zu verfolgen. Und der Name des Beobachtungsprogramms und der Website geht auf den Begriff Pale Red Dot zurück, den der renommierte amerikanische Wissenschaftler Carl Sagan für Bilder des Planeten Erde geprägt hat, die von Raumfahrzeugen aus den Tiefen des Sonnensystems übertragen wurden. Wenn wir versuchen, einen Planeten wie die Erde in anderen Sternensystemen zu finden, können wir uns vorstellen, wie unser Planet aus den Tiefen des Weltraums aussieht. Dieses Projekt wurde Pale Blue Dot ('hellblauer Punkt') genannt, weil unser Planet aufgrund der Leuchtkraft der Atmosphäre aus dem Weltraum als blauer Punkt sichtbar ist. Es war möglich, den Entdeckungsprozess dieses Planeten fast online zu verfolgen. Und der Name des Beobachtungsprogramms und der Website geht auf den Begriff Pale Red Dot zurück, den der renommierte amerikanische Wissenschaftler Carl Sagan für Bilder des Planeten Erde geprägt hat, die von Raumfahrzeugen aus den Tiefen des Sonnensystems übertragen wurden. Wenn wir versuchen, einen Planeten wie die Erde in anderen Sternensystemen zu finden, können wir uns vorstellen, wie unser Planet aus den Tiefen des Weltraums aussieht. Dieses Projekt wurde Pale Blue Dot ('hellblauer Punkt') genannt, weil unser Planet aufgrund der Leuchtkraft der Atmosphäre aus dem Weltraum als blauer Punkt sichtbar ist.vorgeschlagen vom berühmten amerikanischen Wissenschaftler Carl Sagan für Bilder des Planeten Erde, die von Raumfahrzeugen aus den Tiefen des Sonnensystems übertragen werden. Wenn wir versuchen, einen Planeten wie die Erde in anderen Sternensystemen zu finden, können wir uns vorstellen, wie unser Planet aus den Tiefen des Weltraums aussieht. Dieses Projekt wurde Pale Blue Dot ('hellblauer Punkt') genannt, weil unser Planet aufgrund der Leuchtkraft der Atmosphäre aus dem Weltraum als blauer Punkt sichtbar ist.vorgeschlagen vom berühmten amerikanischen Wissenschaftler Carl Sagan für Bilder des Planeten Erde, die von Raumfahrzeugen aus den Tiefen des Sonnensystems übertragen werden. Wenn wir versuchen, einen Planeten wie die Erde in anderen Sternensystemen zu finden, können wir uns vorstellen, wie unser Planet aus den Tiefen des Weltraums aussieht. Dieses Projekt wurde Pale Blue Dot ('hellblauer Punkt') genannt, weil unser Planet aufgrund der Leuchtkraft der Atmosphäre aus dem Weltraum als blauer Punkt sichtbar ist.
Der Planet Proxima b befand sich in der bewohnbaren Zone seines Sterns und relativ nahe an der Erde. Wenn wir, der Planet Erde, eine astronomische Einheit von unserem Stern entfernt sind, ist dieser neue Planet 0,05, dh 200-mal näher. Aber der Stern scheint schwächer, er ist kälter und fällt bereits in solchen Entfernungen in die sogenannte Zone der Gezeitenerfassung. Während die Erde den Mond einfing und sie sich zusammen drehen, ist die gleiche Situation hier. Gleichzeitig wird eine Seite des Planeten aufgewärmt und die andere kalt.
Die angebliche Landschaft von Proxima Centauri b aus Sicht des Künstlers
ESO / M. Kornmesser
Es gibt solche klimatischen Bedingungen, ein Windsystem, das Wärme zwischen dem erhitzten Teil und dem dunklen Teil austauscht, und an den Grenzen dieser Hemisphären kann es recht günstige Lebensbedingungen geben. Das Problem mit dem Planeten Proxima Centauri b ist jedoch, dass der Elternstern ein roter Zwerg ist. Rote Zwerge leben ziemlich lange, aber sie haben eine bestimmte Eigenschaft: Sie sind sehr aktiv. Es gibt Sternfackeln, koronale Massenauswürfe und so weiter. Es wurden bereits viele wissenschaftliche Artikel zu diesem System veröffentlicht, in denen beispielsweise angegeben wird, dass die UV-Strahlung dort im Gegensatz zur Erde 20 bis 30 Mal höher ist. Das heißt, um günstige Bedingungen an der Oberfläche zu haben, muss die Atmosphäre dicht genug sein, um vor Strahlung zu schützen. Aber dies ist der einzige Exoplanet, der uns am nächsten ist. Dies kann mit der nächsten Generation astronomischer Instrumente eingehend untersucht werden. Beobachten Sie die Atmosphäre, sehen Sie, was dort passiert, ob es Treibhausgase gibt, wie das Klima dort ist, ob es dort Biomarker gibt. Astrophysiker werden den Planeten Proxima b untersuchen, ein heißes Forschungsobjekt.
Perspektiven
Wir warten auf die Einführung mehrerer neuer Boden- und Weltraumteleskope, neuer Instrumente. In Russland wird dies das Spektr-UF-Weltraumteleskop sein. Das Institut für Astronomie der Russischen Akademie der Wissenschaften arbeitet aktiv an diesem Projekt. 2018 wird das amerikanische Weltraumteleskop auf den Markt gebracht. James Webb ist die nächste Generation im Vergleich zu CT im. Hubble. Seine Auflösung wird viel höher sein, und wir werden in der Lage sein, die Zusammensetzung der Atmosphäre in jenen Exoplaneten zu beobachten, von denen wir wissen, dass sie ihre Struktur und ihr Klimasystem irgendwie auflösen. Aber wir müssen verstehen, dass dies ein weit verbreitetes astronomisches Instrument ist - natürlich wird es sowohl beim CT als auch beim CT einen sehr starken Wettbewerb geben. Hubble: Jemand will die Galaxie beobachten, jemand - die Sterne, jemand anderes etwas. Es sind mehrere Spezialmissionen zur Erforschung von Exoplaneten geplant. B. NASA TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Tatsächlich können wir in den nächsten 10 Jahren einen signifikanten Fortschritt in unserem Wissen über Exoplaneten im Allgemeinen und über potenziell bewohnbare Exoplaneten wie die Erde im Besonderen erwarten.
Valery Shematovich, Doktor der Physik und Mathematik, Leiter der Abteilung für Sonnensystemforschung, Institut für Astronomie, Russische Akademie der Wissenschaften