Планеты для жизни. Какие они? (из цикла «МОЛЧАНИЕ КОСМОСА», ч.12)

Последние достижения науки дали множество открытий внеземных звездных и планетных систем с которыми уже можно сравнивать нашу планету и солнечную систему.

Пока инструментальные возможности не позволяют обнаруживать небольшие планетные тела, особенно на значительном удалении от звезды, но, тем не менее, на настоящий момент (9 ноября 2014 года) достоверно подтверждено существование 1849 экзопланет в 1160 планетных системах, из которых в 471 имеется более одной планеты.

На основании открытий телескопа «Кеплер» астрономы сейчас оценивают количество планет в нашей галактике по меньшей мере в 100 миллиардов, из которых 5 - 20 % могут быть «землеподобными».

Существуют две системы оценки степени жизнепригодности планеты и, соответственно, вероятности наличия жизни на том или ином космическом теле – по «индексу подобия Земле», определяющему простое физическое сходства экзопланеты и Земли, и по «индексу обитаемости планеты», учитывающему еще множество дополнительных факторов жизнепригодности.

По положению относительно обитаемой зоны звезды планеты могут быть горячими, тёплыми (в зоне) и холодными, а по массе (по отношению к Земле) - миниземли, земли и суперземли.

Как уже отмечалось (см. http://maxpark.com/community/603/content/2979124), необходимым условием жизнепригодности планеты является ее нахождение в зоне обитания своей звезды. Но это далеко не достаточное условие для существования там биосферы и возникновения внеземной цивилизации (ВЦ).

На размеры зоны обитания наряду с мощностью излучения и спектральным составом звезды существенное влияние оказывают параметры самой планеты.

Среди факторов, определяющих условия жизнепригодности планеты можно указать следующие:

- масса планеты и ее размеры;

- наклон экватора к плоскости орбиты и прецессия оси вращения планеты;

- скорость вращения планеты (длительность суток);

- структура и состав тела планеты;

- сложность структуры планеты, определяемая активно взаимодействующими «сферами» - литосферой, атмосферой, гидросферой, магнитосферой, биосферой;

- собственная энергетика - вулканическая активность, наведенные приливные эффекты, радиоактивный распад в ядре;

- наличие и параметры магнитосферы;

- состав и плотность атмосферы;

- альбедо планеты;

- возраст планеты;

- наличие и влияние самой жизни.

Рассмотрим влияние отдельных указанных факторов.

Масса космического тела играет определяющую роль в поддержании на нем высокоразвитой жизни.

Планеты с малой массой, как правило, не могут удержать достаточно плотную атмосферу в силу невысокой гравитации, не способной противостоять «сдуванию» звездным ветром составляющих атмосферу такой планеты молекул. А без такой атмосферы планеты имеют слабую теплоизоляцию и теплопередачу по поверхности и ограниченные возможности для первоначальной биохимии. К тому же, большое соотношение площади поверхности к массе способствует быстрому остыванию недр планеты и прекращению тектонической активности, необходимой для поддержания углеродного цикла и снабжения поверхности планеты поддерживающими жизнь материалами.

Кстати, по современным представлениям Земля находится достаточно близко к нижнему пределу обитаемости, определяемому массой планеты. Считается, что для того чтобы на планетах существовала жизнь, их массы могут быль лишь в несколько раз меньше земной и не более чем на порядок превосходить массу Земли.

Массивные планеты при своем формировании получают большее железосодержащее ядро, что позволяет существовать стабильному магнитному полю, предохраняющему поверхность планеты от звездного ветра и космической радиации. Магнитосферу также поддерживает достаточно быстрое вращение планеты, создающее динамо-эффект в ядре.

Ядро планеты не должно быть слишком тяжелым (что часто бывает в звездных системах с высоким содержанием тяжелых элементов), т.к. в этом случае планеты будут интенсивно накапливать газовые оболочки из водорода и гелия, не способных преодолеть гравитационное поле планеты, и станут газовыми гигантами.

Тектоника плит в сочетании с умеренным вулканизмом играет важную роль, по крайней мере, на Земле. В сплошном лавовом поле углеродная жизнь невозможна, но если совсем нет вулканизма то нет и притока необходимого для жизни углерода.

Тектоника плит создает континенты, перерабатывает различные химические вещества и минералы, регулирует климат через выделение углекислого газа – если планета заледеневает, то СО2 растапливает ее за счет парникового эффекта, если перегревается, то СО2 (запасенный в атмосфере и океанах) активно реагирует с коренными породами литосферы, ослабляя парниковый эффект. Кроме того, тектоника создает так необходимые для образования магнитного поля планеты участки конвекции.

Поскольку в конечном счёте тектоника плит вызвана разностью температур между центром планеты и её поверхностью, по мере роста массы разность эта будет расти, и «склонность к тектонике плит» испытывает пик при массе планеты в 1–5 земных. Итог: до двух масс Земли экзопланеты будут сверхобитаемы в сравнении с нами из-за более активной тектоники плит, которая через углеродный цикл сможет быстрее стабилизировать климат, не давая разыграться массовым вымираниям (из-за резких изменений климата).
Кроме того, определенную долю в разность температур вноситвнутренний нагрев мантии от радиоактивного распада (в частности урана и тория на Земле). Такой нагрев для многих планет может быть значительным, что расширяет размеры обитаемой зоны для богатых радиоактивными элементами звезд.

Очень массивные планеты-«суперземли» могут иметь слишком высокое давление в ядре, что приведет к большей вязкости и температуре плавления элементов ядра и исключит его гидродинамическое поведение и эффективную тепловую конвекцию. Это может негативно сказаться на обитаемости планеты.

Планеты с большой массой обладают повышенными возможностями по нейтрализации изменений светимости своей звезды за счет чисто планетарных эффектов – изменения альбедо, состава и количества парниковых газов, теплопереноса в газовой оболочке. Такие планеты в силу своей инерционности лучше противостоят приливному захвату со стороны близкорасположенной звезды.

Для успешного развития жизни на планете должно быть плавное и мягкое чередование сезонов, определяемых наклоном оси вращения и скоростью вращения планеты.

При малом наклоне оси климат планеты будет очень контрастным в разных широтах, поскольку излучение звезды придется только на низкие широты, и преобладать будут холодные полярные ветра.

При сильном наклоне оси смена сезонов будет очень резкой, что опять же определит неприемлемый для стабильного развития жизни климат.

Скорость вращения планеты должна быть сравнительно высокой с тем, чтобы сгладить температуры при смене дня и ночи. К тому же, это способствет образованию магнитного поля планеты.

Важно также, чтобы нестабильности орбитальных параметров планеты (прецессии оси вращения, колебаний угла наклона оси к плоскости орбиты и эксцентриситета орбиты) не могли привести к значительной динамике уровня излучения звезды на планету (по типу циклов Миланковича для Земли). Но сами такие флуктуации могут положительно влиять на жизненные процессы на планете. Например, на Земле прецессия оси вращения вызывает подъем бедной азотом, но богатой фосфором воды из глубин океана, что обновляет и регулирует всю биосферу.

Планета для поддержания жизни должна иметь атмосферу с необходимым составом газов и давлением. Такая атмосфера защищает поверхность планеты от жесткого излучения звезды (по некоторым данным даже более эффективно, чем ее магнитное поле).

Наличие кислорода в атмосфере планеты может служить биомаркером наличия жизни (подобной земной), постоянно генерирующей кислород, поскольку абиогенное пополнение кислородом (например, при расщеплении испаряющейся воды ультрафиолетом в верхних слоях атмосферы) быстро связывается реакциями с горными породами и другими газами благодаря химической активности кислорода.

Азот в атмосфере препятствует перемешиванию разных слоёв воздушных масс, что препятствует интенсивному разложению водяного пара в верхних слоях на кислород и водород и способствует сохранению воды на планете.

Особое значение имеет углекислый газ – основа для углеродного цикла на планете и материала фотосинтеза. Углекислый газ запускает тонкие механизмы, способные как отогреть планету при обледенивании, так и довести ее до критического температурного состояния за счет действия парникового эффекта.

Атмосферное давление может существенно влиять на зону обитаемости планеты, т.к. при его повышении растет парниковый эффект от воздействия парниковых газов (углекислого, метана, водяных паров и даже водорода), улучшаются условия горизонтального ветрового переноса, сглаживающего температурные колебания на поверхности планеты, повышается температура кипения воды, способствующая ее удержанию на планете.

Важнейшим фактором обитаемости планеты становится сама сформировавшаяся жизнь, способная изменить многие планетарные характеристики и поддерживать стабильные условия для своего развития. Примерами такого воздействия может служить выработка кислорода цианобактериями и фотосинтезирующими растениями, изменившая состав атмосферы, или антропогенное влияние человека на климат (часто негативное). Биосфера постоянно модифицирует свою внешнюю среду и сама изменяется вместе с планетой, поэтому обитаемость планеты тем выше, чем дольше на ней развивается жизнь.

Отметим, что многие положения о жизнепригодности планет в большой степени относятся и к спутникам планет.Согласно накопленным данным, общее количество экзолун с размерами, близкими к земным, у планет-гигантов может оказаться вполне сравнимым с числом землеподобных экзопланет. Обычно спутники захватываются планетами извне, но они также могут формироваться у планет-гигантов по тем же законам что и сами планеты.

Жизнепригодность спутников во многом определяется близостью к своей планете и расстоянием до звезды, которая гравитационно влияет на спутник.

Близкорасположенный к планете спутник подвержен приливному влиянию планеты, которое тем больше, чем более вытянута орбита спутника, дополнительному тепловому и световому влиянию из-за отражения от планеты и, как правило, сильному воздействию магнитного поля планеты-гиганта (которое вместе с тем может дополнительно защитить спутник от внешней радиации).

Указанные факторы могут значительно повысить жизнепригодность спутника (даже если планета-гигант находится вне зоны обитаемости звезды).

Заслуживает внимания и такой аспект вопроса об обитаемости планет – является ли Земля наилучшим местом во Вселенной для развития жизни или могут существовать более оптимальные для развития цивилизации миры.

В ученых кругах распространено мнение, что наша чудесная планета Земля идеальна для жизни – а значит лучше ее и быть не может.

Действительно, Земля уникальна для биологической жизни, и все факторы жизнепригодности планеты (рассмотренные в предыдущих статьях на эту тему) присутствуют на ней в наилучшем виде. Отсюда достаточно хорошо обосновывается гипотеза уникальной Земли, предполагающая, что для появления жизни, разума и цивилизации во Вселенной необходима чрезвычайно маловероятная уникальная композиция самых разнообразных факторов, которая и сложилась на Земле.

Возможно, что Великий фильтр (те еще не познанные законы, которые препятствуют эволюции жизни) пройден только на Земле, и этим, в частности, можно объяснить астросоциологический парадокс (см. http://maxpark.com/community/603/content/2885350). Уникальность Земли еще не означает ее единственность, учитывая миллиарды и миллиарды звездных систем в космосе и наше еще очень слабое знание Вселенной. До сих пор убедительно не показано, какой фактор жизнепригодности, существующий на Земле, принципиально отсутствует на миллиардах планет галактики Млечный путь (не говоря уже о миллиардах других галактик).

Современные модели жизнепригодности Земли и потенциально существующих экзопланет отмечают, что Земля совсем не идеальное место для жизни и развития цивилизации. Достаточно сказать,что планета находится слишком близко к внутреннему краю обитаемой зоны, так что увеличение излучения Солнца всего лишь на 5% сделает Землю

непригодной для жизни. Гипотеза Геи, рассматривающая Землю как уникальный единый самоорганизующийся организм, все более уступает место гипотезе Медеи, считающей, что планета своими воздействиями фактически душит развивающуюся жизнь, а сама жизнь настолько изменяет планетарный баланс сил, что самоуничтожается:

Конечно, не имея еще статистики по экзопланетам и опираясь только на факторы жизнепригодности Земли, трудно прогнозировать результаты комплексного взаимодействия таких факторов на других планетах.

Вместе с тем, ряд ученых (Р.Эллер и Д.Армстронг) предполагают существование т.н. сверхобитаемых миров, где условия для жизни развития цивилизаций все же гораздо комфортнее чем на Земле.

Как считают ученые, прежде всего такими условиями будут обладать суперземли – скалистые планеты (с большим содержанием тяжелых элементов) с дифференцированной структурой тела планеты и массой от 1 до 2 - 3 массы Земли. Желательно, чтобы такая сверхземля находилась в обитаемой зоне звезды с достаточно мягким излучением и длительным сроком эволюции. Наилучшие кандидаты для этого –звезды умеренной массы класса К (оранжевые карлики) со сроком жизни в 2 – 3 раза большим, чем у Солнца.

У массивной сверхземли в обитаемой зоне при приемлемой гравитации должна быть плотная атмосфера, мощная тектоника плит и устойчивая ось вращения (хотя прецессию оси многие ученые считаю желательной для встряски эволюции в слишком тепличных условиях).

Такие сверхземли будут иметь большие размеры и, соответственно увеличенную по сравнению с Землей поверхность, а это способствует протяжённости обитаемых территорий, что ускоряет видовое развитие жизни и обеспечивает большую устойчивость биосистемы.

Кроме того, биопродуктивность планеты была бы выше при более высокой чем на Земле постоянно присутствующей средней температуре (15 – 25 вместо 14 – 15 гр.С ) и более высоком содержании кислорода (22–35% вместо 21% ).

Сверхобитаемые миры должны иметь неглубокий океанский шельф и множество равномерно распределенных по поверхности архипелагов, что увеличивает биопродуктивность и обеспечивает мягкий климат без резких колебаний температур.

Для сверхобитаемости хорошо иметь в обитаемой зоне звезды еще хотя бы одну планету, что может обеспечить взаимообмен формами жизни и высокое биоразнообразие.

Примечательно, что ближайшая к нам звездная система Альфа Центавра содержит три интересных с точки зрения жизнепригодности звезды, среди которых есть желтый карлик α Центавра А класса G2V, оранжевый карлик α Центавра B класса K1V и красный карлик α Центавра С класса M5,5Ve.

Кстати, у претендента на сверхобитаемость - α Центавра B уже обнаружена планета массой 1,13 от земной, но слишком близко к звезде, а компьютерное моделирование показало возможность формирования планеты в пределах 160 миллионов км от звезды с предполагаемой массой 1,8 от земной.

Учитывая изложенное, приходится констатировать, что постоянный рост количества найденных экзопланет, моделирование условий существования и развития жизни в звездных системах различного типа еще более усложняют разрешение астросоциологического парадокса.