Клетка ХХ. Индексы обитаемости и подобия Земле
Однажды известного физика спросили: что по-вашему мнению является самым удивительным фактом в мироздании? Его ответ. То, что сияющие и сгорающие, взрывающиеся звезды, туманности, планеты и всё, всё остальное, не исключая и нас самих, создано из одного и того же материала, по одним и тем же фундаментальным законам. Я бы добавил к этому, что мы, являясь формой живой материи, думаем о ней, о том, как в ней все устроено и о многом чем-то еще. Не исключая при этом устройства и самого Homo sapiens (человека разумного). Не исключено, что где-то из таких же материалов возникла иная или подобная нашей форма жизни.
Поиск контактов с другими внеземными цивилизациями (ВЦ) представляет интерес не только для науки — это проблема изучения жизни и разума во Вселенной. Обзор неба по программе SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) начался в декабре 1973 г. Первый SETI-эксперимент OZMA по этой проблеме (поиск сигналов на волне 21 см). Обратил внимание на ВЦ и знаменитый физик Энрико Ферми, задав вопрос: Где все? Свой вклад «сферой Дайсона» в тему SETI внёс и физик-теоретик Фримен Дайсон.
Введение
В свое время пионер SETI, руководитель проекта OZMA Фрэнк Дрейк сравнил поиск сигнала ВЦ с поиском иголки в «Космическом стоге сена». В начале 1961 г. Фрэнк Дрейк опубликовал ставшее потом знаменитым «уравнение Дрейка». Это формула для оценки вероятного числа цивилизаций в Галактике, с которыми можно было бы установить контакт. Формула выглядит так:
N = R* fp ne fl fi fc L.
Здесь N — количество цивилизаций в нашей Галактике, чьи электромагнитные сигналы можно обнаружить;
R* — количество рождающихся в Галактике за 1 год звёзд, возле которых может возникнуть разумная жизнь;
fp — доля звёзд с планетными системами;
ne — число планет в планетной системе, на которых могут наличествовать подходящие для зарождения жизни условия;
fl — доля планет, подходящих для жизни, на которых она действительно возникла;
fi — доля обитаемых планет, на которых зарождается разумная жизнь;
fc — доля цивилизаций, обладающих технологиями, позволяющими отправить в космос сигналы, различимые другими цивилизациями;
L — временной промежуток, в котором цивилизация отправляет такой сигнал в космос.
Международная группа астрономов, планетологов, биологов и геохимиков составила две системы оценки степени пригодности планеты (экзопланет или лун, спутников) в разных звездных системах для жизни и, соответственно, вероятности её наличия на том или ином небесном теле. Найти внеземные организмы — это одна из важнейших целей космической программы.
Первая система оценки получила название «индекс обитаемости планеты» (Planetary Habitability Index — PHI), а вторая система оценки — «индекс подобия Земле» (Earth Similarity Index — ESI).
Можно считать, что Земля — идеальное место для жизни (на основе белков) подобной нашей.
ИНДЕКС ОБИТАЕМОСТИ ПЛАНЕТЫ
Такой нашу планету делают внешние и внутренние условия её существования. К внешним условиям относятся звездная система. Важен класс звезды и характер её излучения. Считается, что лишь на планетах небольших желтых (спектральный класс G), оранжевых (спектральный класс К) и красных (спектральный класс М) звезд могут быть условия для возникновения и развития белковой жизни.
Звёздная система — гравитационно связанная система из нескольких звёзд с замкнутыми орбитами[1]. Приведем несколько примеров звёздных систем:
· Сириус (две звезды);
· α Центавра (три звезды) (оспаривается — см. Проксима Центавра);
· 4 Центавра (4 звезды);
· Мицар (шесть звёзд);
· Кастор (шесть звёзд);
· ν Скорпиона (семь звёзд);
· Лебедь X-1 (одна звезда и одна чёрная дыра).
Экзопланета — это планета, находящаяся за пределами Солнечной системы. Большинство экзопланет вращаются вокруг звёзд, но встречаются и свободно плавающие по космосу — планеты-изгои, которые не привязаны ни к одной звезде. На конец 2024 года достоверно подтверждено существование 7379 экзопланет в 5063 планетных системах, из которых в 1028 имеется более одной планеты[1]. Ближайшая к Земле экзопланета — Проксима Центавра b.
Мезопланета –термин, придуманный Айзеком Азимовым для обозначения планетных тел, по величине меньше Меркурия, но крупнее Цереры. Если определять величину линейными измерениями или объёмом, мезопланеты должны быть от 1000 до 5000 км в диаметре. Под эту классификацию попадают Эрида, Плутон, Макемаке, Хаумеа, Седна, Орк и Квавар. К ним также могут присоединиться такие объекты как 2002 TC₃₀₂ и Варуна, если их размеры окажутся ближе к верхней границе текущих оценок.
Для возникновения жизни на планете важно иметь достаточный набор химических элементов их хорошую распределенность и доступность. Следующий фрагмент списка распространенности в земной коре элементов иллюстрирует процентное содержание: титан Ti (0.44%), водород Н (0.14%), фосфор Р (0,12%), марганец Mn (0,10%), фтор F (0,070%), сера S (0,052%), стронций Sr (0,045%), барий Ва (0,040%), углерод С (0.032%), хром Сг (0,031%).
Зона обитаемости
Сама планета должна находиться в так называемой «зоне обитаемости»: не слишком далеко от светила, чтобы не замерзнуть, но и не слишком близко, чтобы не сгореть. В нашей Солнечной системе в зоне обитаемости находятся три планеты — Венера, Земля и Марс. Но ни на Венере, ни на Марсе нет жизни подобной земной. Возможно, но маловероятно, существование лишь микроорганизмов.
Венера и Марс удовлетворяют внешним условиям. Обе планеты — подходящего размера, значит и сила тяжести на них мало отличается от земной. Обе планеты твердые, каменистые, а не газообразные. Но этого мало, чтобы возникла жизнь подобная земной. Требуются еще воздух и вода, т.е. кислородсодержащая атмосфера и вода в жидком, а не в твердом или газообразном состоянии. И еще один очень важный для жизни фактор: магнитное поле планеты.
ВОЗДУХ, ВОДА, МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Рассмотрим более подробно внутренние условия необходимые для зарождения жизни. Кислород как необходимое условие жизни не просто присутствует в атмосфере; его должно быть не слишком много и не слишком мало. В воздухе, которым мы дышим, содержится 21% кислорода. Это характерно для земных форм жизни. Для людей и большинства млекопитающих можно указать допустимый диапазон процентного содержания кислорода в атмосфере от 19% до 24%.
А для более простых и неприхотливых организмов это соотношение имеет более широкие границы. Однако, более 27% кислорода в воздухе неблагоприятно даже для растений.
Большую часть атмосферы при этом должен составлять химически не очень активный газ (в идеале — азот, которого в земной атмосфере 78%).
С водой тоже имеются ограничения. На планете её должно быть достаточное количество и в жидком состоянии. Это означает, что хотя бы в летний период, когда планета приближается к своему солнцу, температура на её поверхности будет больше нуля и меньше ста градусов. Лучше даже меньше пятидесяти.
Невозможно развиваться живым организмам под воздействием мощного потока жестких излучений от светила и космических. Для Земли имеется такой защитный радиационный зонтик — так называемые радиационные пояса земли. Они создаются магнитным полем планеты. Дело в том, что любая планета постоянно подвергается жестким гамма-излучениям от своего светила и от других источников. Земле исключительно повезло: у нее есть собственное, достаточно мощное магнитное поле. Твердое земное ядро плавает в среде (оболочке) из расплавленного металла. Их движение в соответствии с законами физики порождает магнитное поле.
Радиационный пояс — это часть магнитосферы Земли, расположенный высоко (от трех тысяч до 57 тысяч километров) над её поверхностью. Именно в нем захватывается и удерживается излучение из космоса — заряженные частицы высоких и сверхвысоких энергий. У Венеры и Марса магнитного поля нет, поэтому нет и радиационной защиты.
Наше Солнце — желтый карлик спектрального класса G с относительно спокойным характером.
ИНДЕКС ПОДОБИЯ ЗКМЛЕ
Индекс подобия Земле (Earth Similarity Index, ESI) — количественная характеристика от 0 до 1пригодности планеты или спутника для жизни, разработанный международной группой учёных, которую составили астрономы, планетологи, биологи и химики[][2]. Для Земли индекс ESI равен максимальному значению — 1, так как он основан на земных условиях существования жизни.
Меркурий, Венера, Земля, Марс
Составлен список экзопланет с указанием значений индекса ESI. Наши примеры из этого списка. Вычисления осуществлялись по формуле
Формула расчета ESI
Первоначальное определение ESI было таким:
xi и xiꚛ — i-я переменная планеты и Земли, которые необходимо сравнивать;
wi — вес, связанный с переменной i;
n — количество переменных, используемых для получения индекса;
Формулировка и история
ESI был впервые предложен в 2011 году Шульце-Макухом и др. в журнале «Астробиология». Формула включает в индекс радиус планеты, плотность, скорость убегания и температуру поверхности. Авторы описывают индекс как имеющий два компонента: (1) связанный с внутренним пространством, которое связано со средним радиусом и средней плотностью, и связанный с поверхностью, которая связана со скоростью убегания и температурой поверхности. Статья о arxiv.org попытках воспроизвести ESI, используя только температуру и массу планеты.
Индекс показывает, насколько условия на планете схожи с земными и, соответственно, пригодны для жизни. Поскольку на текущий момент существования жизни доказано только на Земле, именно наша планета взята за эталон или, если хотите, точку отсчёта.
Для расчетов взято сразу несколько параметров — размер, масса, плотность, расстояние от звезды и температура на планете, но с развитием наших знаний о Вселенной индекс с большой вероятностью будет дополняться новыми параметрами.
Кстати, высокий показатель ESI вовсе не делает планету пригодной для жизни. Он показывает, что по основным параметрам планета сходна с Землёй. Например, экзопланета Teegarden b в целом землеподобна. (Созвездие Овен, звезда Teegarden и экзопланета Teegarden b с индексом ESI 0.95) находится на удалении 12,59 световых лет от Земли. Это практически точная копия Земли, её индекс равен 0,95. Это каменистая планета, где вероятность нахождения воды около 0,6, и она точно будет в жидкой фазе на светлой стороне.
Но вероятность наличия атмосферы всего 3–5%. Атмосфера либо отсутствует, либо очень слабая, иначе ее определили бы по спектральному анализу гало. Состояние атмосферы немного подкачало: плотная и с достаточно большим содержанием водорода, показатель 0,92 против минус 0,52 земных, на планете с сильной атмосферой, даже если она в приливном захвате, на ночной стороне может быть вполне себе комфортно даже человеку. Вот к Росс 128b — это относится в полной мере. (Созвездие Девы, звезда Росс 128 и экзопланета Росс 128b с индексом ESI 0.86.)
Размеры и климат. Наш кандидат — мезопланета. Тут не стоит путать этот термин с введенным Айзеком Азимовым. Он так называл планеты меньше Меркурия, но больше Цереры. В нашем случае термин «мезопланета» значит, что средняя температура на поверхности лежит в диапазоне от нуля (0°С) до (50°С) пятидесяти градусов Цельсия.
По факту температура поверхности оценивается от минус 60°С до +28°С по Цельсию, но по последним уточнённым данным средняя температура в диапазоне от нуля до 28°С градусов Цельсия. У Земли это 15°С градусов.
Местоположение — по количеству получаемого света и тепла это примерно Марс. У нашего соседа индекс 0,32. Обитаемая зона располагается в диапазоне от -1 до +1. -1 — это внутренний радиус, там будет очень жарко и слишком светло, а +1 — внешний, там будет темно и холодно, уже почти нестерпимо.
Состав планеты: у Земли он минус 0,31, у Росс 12b — минус 0,17. Тут показатели ниже минус единицы говорит о том, что планета состоит по большей части из железа, а более 1 — что тело преимущественно из газа. Ноль — это камень, железо и вода. Как видим, у нашего кандидата они даже более уравновешены, чем на Земле.
Фрагмент списка с индексами
Индекс ESI не имеет отношения к обитаемости
Несмотря на значение рейтинга, ESI не характеризует обитаемость, поэтому большой рейтинг не обязательно означает, что планета пригодна для жизни, даже если у нее рейтинг 1,00. Однако, учитывая, что точкой отсчета является Земля, некоторые из ее функций соответствуют тем, которые используются при измерении обитаемости. Как и при определении обитаемой зоны, ESI использует температуру поверхности в качестве основной функции (и земной точки отсчета).
В статье 2016 года ESI используется в качестве схемы выбора цели и получены результаты, показывающие, что ESI имеет мало отношения к обитаемости экзопланеты, поскольку не учитывает активность звезды, блокировку планетарных приливов или магнитное поле планеты (т. е. способность защитить себя), которые являются одними из ключевых факторов, определяющих условия обитаемости поверхности.
Последние исследования показывают, что для развития жизни имеет значение не только наличие каменистой суши и жидкой воды, но и их соотношение по занимаемой площади. Оказывается, планета-суша так же непригодна для земных форм жизни, как и планета-океан. Такие результаты получены физиками из Потсдамского института изучения климатических изменений (Германия).
Они провели анализ соотношения «вода-суша» на Земле и связали его с обитаемостью различных участков нашей планеты. Выявилась любопытная закономерность: к примеру, связь эрозии на суше с населенностью континентальных шельфов.
Оказывается продукты эрозии являются для обитателей шельфов источником питательных веществ, но понижают количество углерода на суше. Понижение компенсируется вулканическими извержениям, обильно поставляющими в атмосферу углекислый газ. Последовал общий научный вывод: все подобные процессы связаны так называемой обратной связью. Если бы суши на Земле было больше, чем нынешние 29%, климат на планете был бы более сухим и холодным, что ограничило бы рост растений и, соответственно, насыщение атмосферы кислородом.
Если бы было больше воды (сейчас она покрывает 71% поверхности), шельфовым морям не хватало бы питательных веществ, что критически сказалось бы на биоразнообразии нашей планеты. Отсюда становится ясно, что всех перечисленных ранее условий, в том числе наличия жидкой формы воды, еще недостаточно для того, чтобы на планете могли развиваться сложные формы жизни.
Требуется еще и правильное соотношение суши и воды.
Следовательно, список потенциальных «новых земель» станет несколько короче. Это на самом деле не беда. В обозримой Вселенной огромное количество галактик, подобных нашему Млечному Пути, а в каждой галактике могут быть миллионы планет, подобных Земле. По теории вероятностей, идеальная планета (т.е. планета, во всем похожая на нашу Землю) обязательно должна найтись среди них. Более того такая планета окажется не единственной.
Kepler-438 — это красный карлик в созвездии Лиры примерно в 470 световых годах от Земли.
Очень большое поверхностное сходства обнаруженной в 2015 году астрономами планеты Kepler-438b, по физическим параметрам почти неотличимую от Земли (тот же размер, масса и температура) не имеет шанса на зарождение жизни на ней. Там нет биосферы, подобной земной. Индекс подобия Земле равен 0,88.
Длина года составляет 35 земных дней и 5 часов, а длительность суток, вероятно, бесконечна из-за нахождения планеты в приливном захвате (подобно тому, как Луна все время повернута к Земле одной стороной).
Вспышки звезды Kepler-438b сопровождаются интенсивной радиацией, губительной для жизни, но проблема не только в этом: в конце концов, от радиации в значительной степени защищает атмосфера и толща воды, а первые земные организмы зародились именно в этой толще. «Ветер» вспышек звезды может сдуть атмосферу (как на Марсе), её давление уменьшится и вода в жидком состоянии под проблемой. С магнитным полем планеты пока ясности нет.
Источниками тепла кроме звезд могут быть радиоактивные вещества недр планеты, которые, скапливаясь ближе к центру, формируют циклопический ядерный реактор. Например, 95% тепла земных недр, которое расходуется на нагрев ее поверхности и излучение в космос, восстанавливается за счет радиоактивного распада.
Гравитационное воздействие многих лун между собой приводит к приливному разогреву поверхности. Эти два источника тепла планет обеспечивают существование водяных океанов на их поверхности. Это не редкость в Солнечной системе.
Огромные массы воды существуют на спутниках Юпитера (Европа, Ганимед, Каллисто), Сатурна (Энцелад, Титан), и, вероятно, на спутнике Нептуна Тритоне и внутри Плутона. В случае Энцелада наличие океана подтверждено непосредственными наблюдениями, — он просто бьет гейзерами из щелей во льду.
Океан подо льдом Энцелада\ NASA JPL
Подо льдом существует замкнутый мир. Многокилометровая ледяная кора защищает недра водных миров от почти любой радиации. Им также почти безразличны яркость звезды, ее активность, вспышки, спектральный класс, стабильность и другие факторы.
Заключение
В множестве галактик Вселенной существует (возникают и распадаются) огромное количество звездных систем. Но только некоторые из них имеют планеты в области обитаемости. Это, как правило не очень большие звезды классов G, K, M — желтые, оранжевые, красные.
Из того, что планета, ее луны или спутники находятся в зоне обитаемости не следует их пригодность для возникновения на них жизни в той или иной форме.
Необходимо выполнение еще целого ряда дополнительных условий: наличия атмосферы, воды в жидкой фазе, магнитного поля, соотношения суша-океан и ряд других.
Ожидаемые формы жизни могут радикально отличаться от того, что имеется на Земле. Мы плохо представляем, что можно ожидать, в силу ограниченности нашего представления определения понятия жизнь. Но работа идет в разных направлениях и приносит свои плоды. Мы начинаем лучше понимать даже свою планету и существ, обитающих на ней.
Литература
1. «Star system» in Modern Dictionary of Astronomy and Space Technology. A.S. Bhatia, ed. New Delhi: Deep & Deep Publications, 2005. ISBN 81–7629–741–0
2. Сергей Попов. Звёздные пары. Архивная копия от 12 марта 2009 на Wayback Machine Handbook of Exoplanets / Hans J. Deeg, Juan Antonio Belmonte. — Springer International Publishing, 2018. — ISBN 978–3–319–55332–0.
3. Бурба Г. Оазисы экзопланет // Вокруг света. — М.: Молодая гвардия, 2006. — № 9 (2792). — С. 38—45.
4. Левин А. Свита звёзд // Популярная механика. — М., 2009. — № 1 (75). — С. 24 –29.
5. Burrows A. A theoretical look at the direct detection of giant planets outside the Solar System (англ.) // Nature. — 20 January 2005. — No. 433. — P. 261—268.
6. Владимир Сурдин. Зона жизни : [арх. 2 июля 2014] // Троицкий вариант. — 2014. — № 2 (146).
7. Planets for Man, Dole & Asimov 1964. Дата обращения: 30 января 2011. Архивировано 12 августа 2012 года.
8. Телескоп TESS нашел первую планету размером с Землю в зоне обитаемости. Дата обращения: 11 января 2020. Архивировано 8 января 2020 года.
9. Jack Cohen, Ian Stewart. Evolving the Alien: The Science of Extraterrestrial Life. — 1st edition. — Ebury & Vermilion. — 388 p. — ISBN 978–0091879273.
10. Ultratrace minerals. Authors: Nielsen, Forrest H. USDA, ARS Source: Modern nutrition in health and disease / editors, Maurice E. Shils… et al. Baltimore: Williams & Wilkins, c 1999., p. 283—303. Issue Date: 1999.
11. G.Cocconi and P.Morrison, Searching for Interstellar Communications, Nature, Vol. 184, No. 4690, pp. 844–846 (1959).
12. И.С. Шкловский, Возможна ли связь с разумными существами других планет? Природа. № 7, с. 21 (1960).
13. И.С. Шкловский, Вселенная, жизнь, разум. М.: Изд-во АН СССР, 1962.
14. I.S. Shklovskii and C.Sagan, Intelligent Life in the Universe. San Francisco: Holden-Day, 1966.
15. Н.С. Кардашёв. Передача информации внеземными цивилизациями, Астрономический журнал. Т. 41, № 2, с. 282–287 (1964).
16. Внеземные цивилизации. Труды совещания. Бюракан, 20–23 мая 1964 г. Ереван: Изд-во АН Армянской ССР, 1965.
17. Проблема CETI (Связь с внеземными цивилизациями). М.: Мир, 1975.
18. Third Decennial US–USSR Conference on SETI. San Francisco: Astronomical Society of the Pacific, 1993.
19. В.С. Троицкий, А.М. Стародубцев, Л.И. Герштейн и В.Л. Рахлин. Опыт поиска монохроматического радиоизлучения от звезд в окрестностях Солнца на частоте 927 МГц. Астрономический журнал. Т. 48, № 3, с. 645–647 (1971).
20. R.H. Gray and K.B. Marvel, A VLA Search for the Ohio State «Wow», Astrophysical Journal. Vol. 546, No. 2, pp. 1171–1177 (2001).
21. I.Molotov, A.Chuprikov, S.Likhachev, C.Salter, T.Ghosh, G.Ghigo, and S.Dougherty. First VLBI Observations with Arecibo in an International S2 Ad-hoc Array. In: Single-Dish Radio Astronomy: Techniques and Applications, ASP Conference Proceedings, Vol. 278. San Francisco: Astronomical Society of the Pacific, 2002, p. 507–510 (2002).
22. R.D. Smith. Broadcasting but not receiving: density dependence considerations for SETI signals. International Journal of Astrobiology. Vol. 8, No. 2, pp. 101–105 (2009).
23. D.H. Forgan. A numerical testbed for hypotheses of extraterrestrial life and intelligence. International Journal of Astrobiology. Vol. 8, No. 2, pp.121–131 (2009).
24. Н.С. Кардашёв. Космология и проблемы SETI. Земля и Вселенная, № 4, с. 9–17 (2002).
25. Л.М. Гиндилис, SETI: Поиск Внеземного Разума. М.: Физматлит, 2004
Авцын А. П., Жаворонков А. А., Риш М. А., Строчкова Л.С. Микроэлементозы человека. — М.: Медицина, 1991. — С. 16. — 496 с. — ISBN 5–225–02128-X.
26. Скальный А. В., Рудаков И.А. Биоэлементы в медицине. — Оникс 21 век, Мир, 2004. — С. 18—19. — 272 с. — ISBN 5–329–00930–8.
