Земные науки помогают в поисках жизни

методы обнаружения экзопланет

Поиск жизни за пределами Земли – это целая волна творчества и современных инноваций. После “золотой лихорадки” открытия экзопланет, сделанных в два последних  десятилетия, настало время сделать следующий шаг: определить, какие из известных экзопланет являются подходящими кандидатами на наличие жизни.

На осенней встрече Союза Американской геофизики, прошедшей  13 декабря 2017 года в Новом Орлеане, штат Луизиана, ученые из НАСА и еще двух университетов представили новые результаты, посвященные решению этой задачи в областях, охватывающих астрофизику, науку о Земле, гелиофизику и планетарную науку, демонстрируя, что междисциплинарный подход необходим для поиска жизни в других мирах.

«Область Вселенной, где может существовать жизнь, значительно расширилась», – сказал Джада Арни, астробиолог из Центра космических полетов НАСА им. Годдарда  в Гринбелте, штат Мэриленд. «Теперь мы знаем о тысячях экзопланет, но наши знания ограничены, потому что мы пока не можем изучать их напрямую».

Сейчас, при проведении исследований, ученые в основном полагаются на косвенные методы обнаружения и изучения экзопланет. Эти методы могут рассказать, похожа ли планета на Землю, и насколько она близка к своей родительской звезде. Однако этих данных недостаточно, чтобы определить, действительно ли планета пригодна для жизни. Для получения такой информации исследователи должны иметь возможность изучать экзопланеты напрямую.

В настоящее время разрабатываются инструменты для получения прямого изображения, но в то же время, как пояснил Арни, ученые продвигаются вперед с помощью уже имеющихся инструментов. Они создают цифровые модели экзопланет для имитации того, как могут выглядеть “живые” планеты и как они будут взаимодействовать со своими родительскими звездами. Чтобы проверить свои модели, ученые используют планеты Солнечной системы, как аналоги экзопланет, которые мы когда-нибудь обнаружим. Это исследование использует и Землю – планету, которую мы знаем лучше всего, и единственную, о которой мы знаем, что она пригодна для жизни.

«В поисках жизни в других мирах важно, чтобы ученые рассматривали экзопланеты в целом, то есть с точки зрения разных наук», – сказал Арни. «Нам нужны комплексный научный подход, чтобы исследовать экзопланеты как сложные миры, сформированные несколькими астрофизическими, планетарными и звездными процессами, а не как просто далекие точки на небе».

Распространение дисциплин в поисках жизни за пределами Земли
Поскольку Земля (справа) и Венера (слева), очень близки по размеру и, тем не менее, отличаются друг от друга по условиям обитаемости, Стивен Кейн, эксперт по экзопланетам Калифорнийского университета, Риверсайд, заинтересован в разработке методов … подробнее

Изучение Земли как экзопланеты

Когда ученые начнут получать первые прямые изображения экзопланет, даже самое близкое изображение будет разрешением всего в несколько пикселей. Что мы сможем узнать о планетарной жизни из такого небольшого количества пикселей?

Стивен Кейн, эксперт по экзопланетам из Калифорнийского университета, Риверсайд, придумал один из способов для ответа на этот вопрос. Он предлагает использовать полихромную камеру, установленную НАСА на борту Национальной космической климатической обсерватории изучения океана и атмосферы или, сокращенно, DSCOVR. Кейн объяснил, что он и его коллеги получают изображения DSCOVR с высоким разрешением, и обычно используют их для документирования глобальных погодных условий Земли и других связанных с климатом событий. Он уменьшает эти изображения до размеров всего в несколько пикселей.  Затем Кейн запускает изображения DSCOVR через фильтр шума, который пытается имитировать помехи, ожидаемые при исследованиях экзопланет.

«Из всего лишь нескольких пикселей мы пытаемся извлечь как можно больше информации о Земле, – сказал Кейн. «Если мы сможем сделать это для Земли, то сможем сделать это и для планет вокруг других звезд».

DSCOVR делает снимок каждые полчаса, и находится на орбите в течение двух лет. Полученные с него более чем 30 000 изображений являются, безусловно, самой продолжительной непрерывной записью наблюдений полного диска Земли из космоса. Наблюдая, как изменяется яркость Земли, когда под аппаратом основном преобладает суша, по сравнению с преобладающей водой, Кейн смог рассчитать альбедо Земли, ее наклон, скорость вращения и даже сезонные колебания – что еще предстоит измерить непосредственно для экзопланет – все из этих параметров могут потенциально влиять на способность планеты поддерживать жизнь.

Поиск других Венер

Многие ученые используют Землю в качестве эталонного образца для поиска обитаемых планет.  Также используются другие планеты Солнечной системы  как примеры того, что же делает планеты непригодными для жизни.

Распространение дисциплин в поисках жизни за пределами Земли
Иллюстрация изображает Кеплер-186f, первую планету размером с Землю, обнаруженную в зоне обитаемости звезды. Сейчас ученым известно о тысячах экзопланет, но эти знания ограничены, потому что мы пока не можем  изучать их напрямую. Авторы: НАСА Эймс / Институт SETI / JPL-Caltech

Так же Кейн изучает “сестру”  Земли, Венеру, у которой температура поверхности составляет 850 градусов по Фаренгейту, а атмосфера заполнена сернокислотными испарениям, с давлением у поверхности, равным 90-кратному давлению у поверхности Земли. Поскольку Земля и Венера очень близки по размеру и, тем не менее, отличаются друг от друга по перспективам своей  обитаемости, он заинтересован в разработке методов разделения аналогов Земли и Венеры в других планетных системах, как способа выявления потенциально пригодных для жизни землеподобных планет.

Кейн пояснил, что работает с целью идентифицировать аналоги Венеры в данных, полученных телескопом NASA Кеплер, определяя «зону Венеры», то расстояние, излучение получаемое планетой от ее звезды-хозяина, играет ключевую роль в циклах эрозии атмосферы и парниковых газов.

«Судьба Земли и Венеры и их строения их атмосфер связаны друг с другом», – сказал Кейн. «Изучив похожие планеты, мы пытаемся понять их эволюцию, и в конечном счете то, как часто развивающиеся планеты оказываются похожими на Венеру с ее условиями.

Моделирование взаимодействия звезд и планет

Ученый центра Годдарда Кэтрин Гарсиа-Сейдж сосредоточился на изучении того, как именно планеты взаимодействуют со своей звездой-хозяином. Ученые должны учитывать как свойства звезды-хозяина, так и электромагнитного поля  планеты, которое может защитить ее от жесткого звездного излучения, что в свою очередь либо мешает, либо помогает ее гипотетическим обитателям. Магнитное поле Земли, например, защищает атмосферу от мощного солнечного ветра, постоянно изливающегося от Солнца заряженного материала.

Гарсия-Шадж описал исследование Proxima b, экзопланеты, которая находится в четырех световых годах от нас, и, как известно, существует в обитаемой зоне своей красной карликовой звезды Проксима Центавра. Тот факт, что планета находится в пригодной для жизни зоне – на правильном расстоянии от звезды,  там где вода может свободно течь на поверхности планеты, не обязательно означает, что она пригодна для жизни.

Хотя ученые пока не могут определить, обитаема ли Proxima b, они могут использовать вычислительные модели для понимания того, насколько хорошо земное магнитное поле защитило бы атмосферу на орбите экзопланеты Проксима Центавра, и как часто возникали бы  сильные звездные штормы. Влияние таких бурь на космическую среду данной планеты в совокупности называют космической погодой.

Распространение дисциплин в поисках жизни за пределами Земли
На этом рисунке  показано, как ультрафиолетовое излучение от активной красной карликовой звезды приводит к выходу ионов из атмосферы экзопланеты. Источник: Центр космических полетов НАСА имени Годдарда 

«Нам нужно знать “космическую погоду” на планете, чтобы понимать, пригодна ли планета для жизни, – сказал Гарсиа-Сейдж. «Если звезда слишком активна, это может поставить под угрозу атмосферу, необходимую для обеспечения наличия жидкой воды. Но здесь тонкая грань: есть некоторые признаки того, что излучение звезды может инициировать создание строительных блоков для возникновении жизни».

Красная карликовая звезда – это один из самых распространенных типов звезд в нашей Галактике, такой, например, является Проксима Центавра. Ультрафиолетовое излучение от нее ионизирует атмосферные газы планет, создавая электрически заряженные частицы, которые могут утекать в космос вдоль линий магнитного поля.

Ученые подсчитали, сколько излучения производит в среднем Проксима Центавра на основе наблюдений, полученных от рентгеновской обсерватории NASA “Чандра”. Исследователи обнаружили, что земноподобная планета Проксима B сталкивается с потоками ультрафиолетового излучения, в сотни раз превышающими попадающими на Землю от Солнца.

Гарсия-Сейдж и ее коллеги разработали компьютерную модель для изучения того, сможет ли существовать земная атмосфера – учитывая ее параметры, магнитное поле и гравитацию – на орбите Проксимы. Они рассмотрели три фактора, которые приводят к “побегу” ионосферы: звездное излучение, температура  атмосферы и размер полярной шапки – области, из которой происходит “побег”.

Исследования показали, что с экстремальными условиями, которые могут существовать на Проксима B, планета может потерять массу, эквивалентную всей атмосфере Земли за 100 миллионов лет. В самом лучшем случае такая масса может исчезнуть более чем за 2 миллиарда лет, в течение всей жизни планеты.

Марс как лаборатория для изучения экзопланет

В то время как Гарсия-Сейдж говорил о намагниченных планетах, Дэвид Брейн,  ученый из Университета Колорадо, Боулдер, говорил о Марсе – планете без магнитного поля.

Распространение дисциплин в поисках жизни за пределами Земли
Чтобы получить такое же количество солнечного излучения, которое Марс получает от нашего Солнца, планета, вращающаяся вокруг красного карлика М-типа, должна быть расположена намного ближе к своей звезде, чем Меркурий к  Солнцу. Источник: Центр космических полетов НАСА имени Годдарда. 

«Марс – отличная лаборатория для размышлениях об экзопланетах, – сказал Дэвид Брейн. «Мы можем использовать Марс, чтобы получить представление о различных каменистых экзопланетах, о которых пока нет информации прямого наблюдения».

Исследование Дэвида Брейна использует данные, полученные от миссии  по изучению атмосферы  Марса MAVEN. Ученый задался вопросом: «Как Марс эволюционировал бы, если бы он вращался вокруг другой звезды?» Ответ говорит о том, что скалистые планеты могут развиваться по-разному в разных ситуациях.

Считается, что Марс когда-то имел воду и атмосферу, которая могла бы сделать его пригодным для жизни, подобной существующей на Земле. Но Марс потерял большую часть своей атмосферы с течением времени благодаря различным химическим и физическим процессам – MAVEN наблюдал подобные процессы на планете с момента  запуска в конце 2013 года.

Дэвид Брейн, соисследователь MAVEN, и его коллеги применили данные MAVEN к гипотетическому моделированию марсоподобной планеты, вращающейся вокруг звезды класса М, известной как красная карликовая звезда . В этой воображаемой ситуации планета получит в пять-десять раз больше ультрафиолетового излучения, чем реальный Марс, что, в свою очередь, ускоряет потерю атмосферы до гораздо более высоких скоростей. Их расчеты показывают, что атмосфера планеты может потерять в три-пять раз больше заряженных частиц и примерно в 5-10 раз больше нейтральных частиц.

Такая скорость атмосферных потерь свидетельствует о том, что орбита планеты на краю жилой зоны тихой звезды М-класса вместо нашего Солнца может сократить срок существования пригодных для жизни условий на ней примерно в двадцать раз.

«Но я бы не стал отказываться от надежды на жизнь на скалистых планетах, вращающиеся вокруг М карликов», – сказал Брейн. «Мы выбрали наихудший сценарий: Марс – маленькая планета, и у нее нет магнитного поля, поэтому солнечный ветер может более эффективно “убивать” атмосферу. Мы также выбрали Марс, который не является геологически активным, поэтому нет внутреннего источника атмосферы Если вы измените какой-либо один фактор, такая планета может стать более удачным местом для биологической активности».

Каждое из этих исследований вносит лишь небольшой вклад  в решение гораздо более большой загадки – какие именно характеристики планет мы должны изучать для поисков мест, которые могут поддерживать жизнь. В совокупности такие междисциплинарные исследования закладывают основу для того, чтобы обеспечить более четкое планирования новых миссий по наблюдению за экзопланетами.

Расскажите друзьям!

Может быть интересно:

  • Ближайшая к Солнцу звездная системаБлижайшая к Солнцу звездная система Ближайшие звездные соседи Солнца- это три звезды в системе Альфа Центавра. Две главные звезды Альфа Центавра - А и В, образуют двойную систему. Ее расстояние от Земли составляет в среднем […]
  • Астробиологи: Кислород не единственный возможный признак жизниАстробиологи: Кислород не единственный возможный признак жизни Сравнив атмосферный состав древней и современной Земли, ученые заявляют, что обнаружили конкретные химические комбинации, которые могли бы выявить наличие биологической активности на […]
  • В поисках новых мировВ поисках новых миров Прошло более двух десятилетий с того момента, как мы узнали, что Вселенная полна других миров. С 1992 года было открыто более 3500 экзопланет, вращающихся вокруг других […]
  • Ионосферный кислород экзопланетИоносферный кислород экзопланет 9 января 1992 года астрономы объявили о важном открытии: они обнаружили две планеты, вращающиеся вокруг далекой звезды на расстоянии около 2300 световых лет от Солнца. Две планеты, позже […]
  • Моделирование обитаемых зонМоделирование обитаемых зон Планета, вращающаяся в «обитаемой зоне » своей родительской звезды, имеет потенциал для существования на своей поверхности жидкой воды - важного ингредиента для возникновения и […]
  • О природе неизвестных сигналов из космосаО природе неизвестных сигналов из космоса «Мы не знаем, сколько (если вообще есть) других цивилизаций в нашей галактике», - говорит Ричард Конн Генри, профессор физики и астрономии Университета Джона Хопкинса. «Одним из […]
  • Семь планет системы TRAPPIST-1Семь планет системы TRAPPIST-1 Астрономы, использующие космический телескоп NASA / ESA "Хаббл", провели первую спектроскопическую съемку экзопланет в обитаемой зоне вокруг звезды TRAPPIST-1. Полученные результаты, […]
  • Жизнь возникла в космосе?Жизнь возникла в космосе?   Откуда берутся молекулы, необходимые для жизни? Возможно, небольшие органические молекулы впервые появились здесь, на Земле, и позже были объединены в более крупные молекулы, […]
  • Обнаруженная экзопланета может быть обитаемаОбнаруженная экзопланета может быть обитаема Новая экзопланета размером с Землю была обнаружена всего лишь в 11 световых годах от Солнечной системы. Открытие было сделано командой, использующей уникальный инструмент ESA для поиска […]
  • Формы инопланетной жизниФормы инопланетной жизни Пришельцы могут быть повсюду. В нашей галактике насчитывается не менее 100 миллиардов планет, и по меньшей мере 20% из них могут быть пригодными для жизни. Даже если на небольшой части […]

Оставьте комментарий

Понравилась статья? Расскажите друзьям!