Como procuram planetas na zona habitável, que condições são necessárias para a formação da vida e o que é interessante na descoberta do exoplaneta Proxima b
A zona habitável, que em inglês é chamada de zona habitável, é uma área no espaço com as condições mais favoráveis para a vida do tipo terrestre. O termo habitat significa que quase todas as condições para a vida são satisfeitas, simplesmente não o vemos. A aptidão para a vida é determinada pelos seguintes fatores: a presença de água na forma líquida, uma atmosfera suficientemente densa, diversidade química (moléculas simples e complexas com base em H, C, N, O, S e P) e a presença de uma estrela que traz a quantidade necessária de energia.
História de estudo: planetas terrestres
Do ponto de vista da astrofísica, foram vários os estímulos para o surgimento do conceito de zona habitável. Considere nosso sistema solar e quatro planetas terrestres: Mercúrio, Vênus, Terra e Marte. Mercúrio não tem atmosfera e está muito perto do Sol, portanto, não é muito interessante para nós. Este é um planeta com um destino triste, pois mesmo que tivesse atmosfera, seria levado pelo vento solar, ou seja, uma corrente de plasma fluindo continuamente da coroa da estrela.
Considere o resto dos planetas terrestres do sistema solar - são Vênus, Terra e Marte. Eles surgiram praticamente no mesmo lugar e sob as mesmas condições, cerca de 4,5 bilhões de anos atrás. E, portanto, do ponto de vista da astrofísica, sua evolução deve ser bastante semelhante. Agora, no início da era espacial, quando avançamos no estudo desses planetas usando espaçonaves, os resultados obtidos mostraram condições extremamente diferentes nesses planetas. Agora sabemos que Vênus tem pressão muito alta e é muito quente na superfície, 460-480 ° C - essas são temperaturas nas quais muitas substâncias até mesmo derretem. E desde as primeiras fotos panorâmicas da superfície, vimos que é totalmente inanimado e praticamente não adaptado à vida. Toda a superfície é um continente.
Planetas terrestres - Mercúrio, Vênus, Terra, Marte
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Por outro lado, Marte. É um mundo frio. Marte perdeu sua atmosfera. Esta é novamente uma superfície desértica, embora existam montanhas e vulcões. A atmosfera de dióxido de carbono é muito fina; se a água estava lá, então estava tudo congelado. Marte tem uma calota polar e os resultados recentes de uma missão a Marte sugerem que existe gelo sob a cobertura de areia - o regolito.
E a terra. Temperatura muito favorável, a água não congela (pelo menos não em todos os lugares). E foi na Terra que surgiu a vida - tanto a vida primitiva quanto a multicelular inteligente. Parece que vemos uma pequena parte do sistema solar, na qual três planetas, chamados planetas terrestres, foram formados, mas sua evolução é completamente diferente. E nessas primeiras idéias sobre os possíveis caminhos de evolução dos próprios planetas, surgiu a idéia da zona habitável.
Limites de zonas habitáveis
Os astrofísicos observam e estudam o mundo ao nosso redor, o espaço exterior ao nosso redor, ou seja, nosso sistema solar e os sistemas planetários de outras estrelas. E para sistematizar de alguma forma, para onde olhar, em quais objetos se interessar, você precisa entender como determinar a zona habitável. Sempre acreditamos que outras estrelas deveriam ter planetas, mas o poder instrumental nos permitiu descobrir os primeiros exoplanetas - planetas localizados fora do sistema solar - há apenas 20 anos.
Como são determinados os limites internos e externos da zona habitável? Acredita-se que em nosso sistema solar, a zona habitável está localizada a uma distância de 0,95 a 1,37 unidades astronômicas do sol. Sabemos que a Terra está a 1 unidade astronômica (UA) do Sol, Vênus está a 0,7 UA. e., Marte - 1,5 a. e. Se sabemos a luminosidade de uma estrela, então é muito fácil calcular o centro da zona habitável - você só precisa tirar a raiz quadrada da razão da luminosidade desta estrela e se referir à luminosidade do Sol, ou seja:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Aqui Rae é o raio médio da zona habitável em unidades astronômicas, e Lstar e Lsun são as luminosidades bolométricas da estrela procurada e do Sol, respectivamente. Os limites da zona habitável são estabelecidos com base na necessidade da presença de água líquida nos planetas nela localizados, uma vez que é um solvente necessário em muitas reações biomecânicas. Além da fronteira externa da zona habitável, o planeta não recebe radiação solar suficiente para compensar as perdas de radiação e sua temperatura cairá abaixo do ponto de congelamento da água. Um planeta localizado mais perto da estrela do que o limite interno da zona habitável será excessivamente aquecido por sua radiação, e como resultado a água evaporará.
Mais estritamente, a fronteira interna é determinada tanto pela distância do planeta à estrela quanto pela composição de sua atmosfera e, em particular, pela presença dos chamados gases de efeito estufa: vapor d'água, dióxido de carbono, metano, amônia e outros. Como você sabe, os gases de efeito estufa causam aquecimento da atmosfera, que no caso de um efeito estufa catastroficamente crescente (por exemplo, Vênus precoce) leva à evaporação da água da superfície do planeta e perda da atmosfera.
A fronteira externa já é o outro lado da questão. Pode ser muito mais longe quando há pouca energia do Sol e a presença de gases de efeito estufa na atmosfera de Marte não é suficiente para que o efeito estufa crie um clima ameno. Assim que a quantidade de energia se torna insuficiente, os gases de efeito estufa (vapor d'água, metano etc.) da atmosfera se condensam, caem como chuva ou neve e assim por diante. E os gases de efeito estufa reais se acumularam sob a calota polar de Marte.
É muito importante dizer uma palavra sobre a zona habitável para estrelas fora do nosso sistema solar: potencial é uma zona de habitabilidade potencial, isto é, nela se encontram condições que são necessárias, mas não suficientes para a formação da vida. Aqui é necessário falar sobre a viabilidade do planeta, quando uma série de fenômenos e processos geofísicos e bioquímicos entram em jogo, como a presença de um campo magnético, placas tectônicas, a duração dos dias planetários e assim por diante. Os fenômenos e processos listados estão agora sendo estudados ativamente em uma nova direção da pesquisa astronômica - astrobiologia.
Procure planetas na zona habitável
Os astrofísicos simplesmente procuram planetas e então determinam se eles estão na zona habitável. A partir de observações astronômicas, você pode ver onde este planeta está localizado, onde está sua órbita. Se estiver na zona habitável, o interesse por este planeta aumenta imediatamente. Em seguida, você precisa estudar este planeta em outros aspectos: atmosfera, diversidade química, a presença de água e a fonte de calor. Isso já nos leva um pouco fora dos colchetes do conceito de "potencial". Mas o principal problema é que todas essas estrelas estão muito distantes.
Uma coisa é ver um planeta perto de uma estrela como o sol. Existem vários exoplanetas semelhantes à nossa Terra - as chamadas sub e superterras, ou seja, planetas com raios próximos ou ligeiramente superiores ao raio da Terra. Os astrofísicos os estudam estudando a atmosfera, não vemos superfícies - apenas em casos isolados, as chamadas imagens diretas, quando vemos apenas um ponto muito distante. Portanto, devemos estudar se este planeta tem atmosfera e, em caso afirmativo, qual é sua composição, quais gases existem, e assim por diante.
Exoplaneta (ponto vermelho à esquerda) e anã marrom 2M1207b (meio). Primeira imagem obtida com tecnologia de imagem direta em 2004
ESO / VLT
Em um sentido amplo, a busca por vida fora do sistema solar, e no sistema solar, é a busca dos chamados biomarcadores. Acredita-se que os biomarcadores sejam compostos químicos de origem biológica. Sabemos que o principal biomarcador da Terra, por exemplo, é a presença de oxigênio na atmosfera. Sabemos que havia muito pouco oxigênio na Terra primitiva. A vida mais simples e primitiva surgiu cedo, a vida multicelular surgiu bem tarde, sem falar na inteligência. Mas então, devido à fotossíntese, o oxigênio começou a se formar, a atmosfera mudou. E este é um dos possíveis biomarcadores. Agora, por outras teorias, sabemos que existem vários planetas com atmosferas de oxigênio, mas a formação de oxigênio molecular não é causada por processos biológicos, mas por processos físicos comuns,digamos que a decomposição do vapor d'água sob a influência da radiação ultravioleta estelar. Portanto, todo o entusiasmo de que, assim que virmos o oxigênio molecular, ele será um biomarcador, não se justifica inteiramente.
Missão "Kepler"
O Telescópio Espacial Kepler (CT) é uma das missões astronômicas de maior sucesso (é claro, depois do Telescópio Espacial Hubble). Seu objetivo é encontrar planetas. Graças ao Kepler CT, demos um salto quântico na pesquisa de exoplanetas.
O Kepler CT foi focado em uma forma de descoberta - os chamados trânsitos, quando um fotômetro - único instrumento a bordo do satélite - rastreou a mudança no brilho de uma estrela no momento em que o planeta passou entre ela e o telescópio. Isso deu informações sobre a órbita do planeta, sua massa, regime de temperatura. E isso tornou possível identificar cerca de 4500 candidatos planetários potenciais durante a primeira parte desta missão.
Telescópio espacial "Kepler"
NASA
Em astrofísica, astronomia e, provavelmente, em todas as ciências naturais, costuma-se confirmar descobertas. O fotômetro registra que o brilho da estrela muda, mas o que isso significa? Talvez a estrela tenha algum tipo de processo interno que leve a mudanças; os planetas passam - é escurecido. Portanto, é necessário observar a frequência das mudanças. Mas, para ter certeza de que existem planetas, você precisa confirmar isso de alguma forma - por exemplo, alterando a velocidade radial da estrela. Ou seja, agora existem cerca de 3600 planetas - são planetas confirmados por vários métodos de observação. E há quase 5.000 candidatos potenciais.
Proxima Centauri
Em agosto de 2016, foi recebida a confirmação da presença de um planeta denominado Proxima b próximo à estrela Proxima Centauri. Por que é tão interessante para todos? Por um motivo muito simples: é a estrela mais próxima do nosso Sol a uma distância de 4,2 anos-luz (ou seja, a luz cobre esta distância em 4,2 anos). Este é o exoplaneta mais próximo de nós e, possivelmente, o corpo celeste mais próximo do sistema solar, no qual a vida pode existir. As primeiras medições foram feitas em 2012, mas como esta estrela é uma anã vermelha fria, uma série muito longa de medições teve que ser feita. E várias equipes científicas do Observatório Europeu do Sul (ESO) observaram a estrela por vários anos. Eles fizeram um site chamado Pale Red Dot (palereddot.org - ed.), Ou seja, um 'ponto vermelho pálido', e postaram observações lá. Os astrônomos atraíram diferentes observadores, e foi possível rastrear os resultados das observações em domínio público. Assim, foi possível acompanhar o próprio processo de descoberta desse planeta quase online. E o nome do programa de observação e website remonta ao termo Pale Red Dot cunhado pelo renomado cientista americano Carl Sagan para imagens do planeta Terra transmitidas por espaçonaves das profundezas do sistema solar. Quando tentamos encontrar um planeta como a Terra em outros sistemas estelares, podemos tentar imaginar como nosso planeta se parece das profundezas do espaço. Este projeto foi batizado de Ponto Azul Pálido ('ponto azul claro'), porque do espaço, devido à luminosidade da atmosfera, nosso planeta é visível como um ponto azul.foi possível acompanhar o próprio processo de descoberta deste planeta quase online. E o nome do programa de observação e website remonta ao termo Pale Red Dot cunhado pelo renomado cientista americano Carl Sagan para imagens do planeta Terra transmitidas por espaçonaves das profundezas do sistema solar. Quando tentamos encontrar um planeta como a Terra em outros sistemas estelares, podemos tentar imaginar como nosso planeta se parece das profundezas do espaço. Este projeto foi batizado de Ponto Azul Pálido ('ponto azul claro'), porque do espaço, devido à luminosidade da atmosfera, nosso planeta é visível como um ponto azul.foi possível acompanhar o próprio processo de descoberta deste planeta quase online. E o nome do programa de observação e website remonta ao termo Pale Red Dot cunhado pelo renomado cientista americano Carl Sagan para imagens do planeta Terra transmitidas por espaçonaves das profundezas do sistema solar. Quando tentamos encontrar um planeta como a Terra em outros sistemas estelares, podemos tentar imaginar como nosso planeta se parece das profundezas do espaço. Este projeto foi batizado de Ponto Azul Pálido ('ponto azul claro'), porque do espaço, devido à luminosidade da atmosfera, nosso planeta é visível como um ponto azul.proposta pelo famoso cientista americano Carl Sagan para imagens do planeta Terra, transmitidas por espaçonaves das profundezas do sistema solar. Quando tentamos encontrar um planeta como a Terra em outros sistemas estelares, podemos tentar imaginar como nosso planeta se parece das profundezas do espaço. Este projeto foi batizado de Ponto Azul Pálido ('ponto azul claro'), porque do espaço, devido à luminosidade da atmosfera, nosso planeta é visível como um ponto azul.proposta pelo famoso cientista americano Carl Sagan para imagens do planeta Terra, transmitidas por espaçonaves das profundezas do sistema solar. Quando tentamos encontrar um planeta como a Terra em outros sistemas estelares, podemos tentar imaginar como nosso planeta se parece das profundezas do espaço. Este projeto foi batizado de Ponto Azul Pálido ('ponto azul claro'), porque do espaço, devido à luminosidade da atmosfera, nosso planeta é visível como um ponto azul.
O planeta Proxima b encontrou-se na zona habitável de sua estrela e relativamente perto da Terra. Se nós, o planeta Terra, estamos a 1 unidade astronômica de nossa estrela, então este novo planeta está 0,05, ou seja, 200 vezes mais próximo. Mas a estrela brilha mais fraca, está mais fria e já a tais distâncias cai na chamada zona de captura das marés. Como a Terra capturou a Lua e eles giram juntos, a mesma situação é aqui. Mas, ao mesmo tempo, um lado do planeta está aquecido e o outro está frio.
A suposta paisagem da Proxima Centauri b vista pelo artista
ESO / M. Kornmesser
Existem tais condições climáticas, um sistema de ventos que troca calor entre a parte aquecida e a parte escura, e nas bordas desses hemisférios pode haver condições bastante favoráveis para a vida. Mas o problema com o planeta Proxima Centauri b é que a estrela-mãe é uma anã vermelha. As anãs vermelhas vivem muito tempo, mas têm uma propriedade específica: são muito ativas. Existem erupções estelares, ejeções de massa coronal e assim por diante. Muitos artigos científicos sobre este sistema já foram publicados, onde, por exemplo, dizem que, ao contrário da Terra, o nível de radiação ultravioleta lá é 20-30 vezes maior. Ou seja, para ter condições favoráveis na superfície, a atmosfera deve ser densa o suficiente para proteger contra a radiação. Mas este é o único exoplaneta mais próximo de nós,que pode ser estudado em detalhes com a próxima geração de instrumentos astronômicos. Observe sua atmosfera, veja o que está acontecendo lá, se há gases de efeito estufa, qual é o clima lá, se há biomarcadores lá. Os astrofísicos vão estudar o planeta Proxima b, um objeto quente para pesquisas.
Perspectivas
Estamos à espera de vários novos telescópios terrestres e espaciais, novos instrumentos a serem lançados. Na Rússia, este será o telescópio espacial Spektr-UF. O Instituto de Astronomia da Academia Russa de Ciências está trabalhando ativamente neste projeto. Em 2018, o Telescópio Espacial Americano será lançado. James Webb é a próxima geração em comparação com o CT im. Hubble. Sua resolução será bem maior, e poderemos observar a composição da atmosfera nesses exoplanetas que conhecemos, de alguma forma resolver sua estrutura, sistema climático. Mas devemos entender que este é um instrumento astronômico comum - naturalmente, haverá uma competição muito forte, assim como no CT. Hubble: alguém quer observar a galáxia, alguém - as estrelas, alguém algo. Várias missões especializadas para explorar exoplanetas estão planejadas,por exemplo, TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) da NASA. Na verdade, nos próximos 10 anos, podemos esperar um avanço significativo em nosso conhecimento sobre exoplanetas em geral e sobre exoplanetas potencialmente habitáveis como a Terra, em particular.
Valery Shematovich, Doutor em Física e Matemática, Chefe do Departamento de Pesquisa do Sistema Solar, Instituto de Astronomia, Academia Russa de Ciências
