В астробиологии и планетарной астрофизике галактическая обитаемая зона — это область галактики , в которой жизнь , скорее всего, разовьётся. Концепция галактической обитаемой зоны анализирует различные факторы, такие как металличность (наличие элементов тяжелее водорода и гелия), а также скорость и плотность крупных катастроф, таких как сверхновые , и использует их для вычисления того, какие области галактики с большей вероятностью образуют планеты земного типа , изначально развивают простую жизнь и обеспечивают подходящую среду для развития и продвижения этой жизни. [1] Согласно исследованию, опубликованному в августе 2015 года, очень большие галактики могут способствовать рождению и развитию обитаемых планет больше, чем меньшие галактики, такие как Млечный Путь . [2] В случае Млечного Пути его галактическая обитаемая зона, как обычно полагают, представляет собой кольцо с внешним радиусом около 10 килопарсеков (33 000 световых лет ) и внутренним радиусом, близким к Галактическому центру (при этом оба радиуса не имеют жестких границ). [1] [3]
Теория галактической зоны обитания подвергалась критике из-за невозможности точно количественно оценить факторы, делающие область галактики благоприятной для возникновения жизни. [3] Кроме того, компьютерное моделирование предполагает, что звезды могут значительно менять свои орбиты вокруг галактического центра, тем самым оспаривая по крайней мере часть мнения о том, что некоторые области галактики обязательно более пригодны для поддержания жизни, чем другие. [4] [5] [6]
Идея околозвездной обитаемой зоны была введена в 1953 году Хубертусом Стругхолдом и Харлоу Шепли [7] [8] и в 1959 году Су-Шу Хуаном [9] как область вокруг звезды, в которой вращающаяся планета может удерживать воду на своей поверхности. С 1970-х годов планетологи и астробиологи начали рассматривать различные другие факторы, необходимые для создания и поддержания жизни, включая влияние, которое может оказать близлежащая сверхновая на развитие жизни. [10] В 1981 году ученый-компьютерщик Джим Кларк предположил, что очевидное отсутствие внеземных цивилизаций в Млечном Пути можно объяснить вспышками сейфертовского типа из активного галактического ядра , причем только Земля была избавлена от этого излучения в силу своего расположения в галактике. [11] В том же году Уоллес Хэмптон Такер проанализировал обитаемость галактики в более общем контексте, но более поздние работы вытеснили его предложения. [12]
Современная теория галактической зоны обитаемости была представлена в 1986 году Л. С. Марочником и Л. М. Мухиным из Российского института космических исследований , которые определили зону как область, в которой может процветать разумная жизнь. [13] Дональд Браунли и палеонтолог Питер Уорд расширили концепцию галактической зоны обитаемости, а также других факторов, необходимых для возникновения сложной жизни , в своей книге 2000 года «Редкая Земля: почему сложная жизнь необычна во Вселенной» . [14] В этой книге авторы использовали галактическую зону обитаемости, среди прочих факторов, чтобы доказать, что разумная жизнь не является обычным явлением во Вселенной.
Идея галактической зоны обитаемости была далее развита в 2001 году в статье Уорда и Браунли в сотрудничестве с Гильермо Гонсалесом из Вашингтонского университета . [15] [16] В этой статье Гонсалес, Браунли и Уорд заявили, что регионы вблизи галактического гало будут испытывать недостаток в более тяжелых элементах, необходимых для создания пригодных для жизни планет земной группы , тем самым создавая внешний предел размера галактической зоны обитаемости. [10] Однако, находясь слишком близко к галактическому центру, планета, которая в противном случае была бы пригодной для жизни, подверглась бы многочисленным сверхновым и другим энергичным космическим событиям, а также чрезмерным кометным ударам, вызванным возмущениями облака Оорта родительской звезды . Поэтому авторы установили внутреннюю границу для галактической зоны обитаемости, расположенную сразу за галактическим балджем . [10]
Чтобы определить местоположение в галактике как часть галактической обитаемой зоны, необходимо учесть множество факторов. К ним относятся распределение звезд и спиральных рукавов, наличие или отсутствие активного галактического ядра, частота близлежащих сверхновых, которые могут угрожать существованию жизни, металличность этого местоположения и другие факторы. [10] Без выполнения этих факторов регион галактики не может создавать или поддерживать жизнь эффективно.
Одним из основных требований для существования жизни вокруг звезды является способность этой звезды производить земную планету достаточной массы для ее поддержания. Различные элементы, такие как железо , магний , титан , углерод , кислород , кремний и другие, требуются для создания пригодных для жизни планет, а их концентрация и соотношение различаются по всей галактике. [10]
Наиболее распространенным эталонным соотношением элементов является отношение Fe/H , один из факторов, определяющих склонность региона галактики к образованию планет земного типа. Галактический балдж , регион галактики, ближайший к Галактическому центру, имеет распределение [Fe/H], достигающее пика при −0,2 десятичных единиц экспоненты (dex) относительно отношения Солнца (где −1 будет 1 ⁄ 10 такой металличности ); тонкий диск , в котором находятся локальные сектора локального рукава , имеет среднюю металличность −0,02 dex на орбитальном расстоянии Солнца вокруг галактического центра, уменьшаясь на 0,07 dex для каждого дополнительного килопарсека орбитального расстояния. Расширенный толстый диск имеет среднее значение [Fe/H] −0,6 dex, в то время как гало , область, наиболее удаленная от галактического центра, имеет самый низкий пик распределения [Fe/H], около −1,5 dex. [10] Кроме того, такие соотношения, как [C/O], [Mg/Fe], [Si/Fe] и [S/Fe], могут иметь отношение к способности области галактики образовывать пригодные для жизни планеты земной группы, и из них [Mg/Fe] и [Si/Fe] медленно уменьшаются с течением времени, что означает, что будущие планеты земной группы, скорее всего, будут обладать более крупными железными ядрами. [10]
В дополнение к определенным количествам различных стабильных элементов, которые составляют массу планеты земной группы, для нагрева недр планеты и питания поддерживающих жизнь процессов, таких как тектоника плит , вулканизм и геомагнитное динамо , требуется обилие радионуклидов, таких как 40 K , 235 U , 238 U и 232 Th . [10] Отношения [U/H] и [Th/H] зависят от отношения [Fe/H]; однако общая функция для обилия 40 K не может быть создана с использованием существующих данных. [10]
Даже на пригодной для жизни планете с достаточным количеством радиоизотопов для обогрева ее недр требуются различные пребиотические молекулы для возникновения жизни; поэтому распределение этих молекул в галактике важно для определения галактической зоны обитаемости. [13] Исследование 2008 года, проведенное Самантой Блэр и ее коллегами, попыталось определить внешнюю границу галактической зоны обитаемости с помощью анализа выбросов формальдегида и оксида углерода из различных гигантских молекулярных облаков, разбросанных по всему Млечному Пути; однако эти данные не являются ни окончательными, ни полными.
В то время как высокая металличность полезна для создания экзопланет земной группы , избыточное количество может быть вредным для жизни. Избыточная металличность может привести к образованию большого количества газовых гигантов в данной системе, которые впоследствии могут мигрировать из-за линии замерзания системы и стать горячими юпитерами , нарушая планеты, которые в противном случае были бы расположены в околозвездной обитаемой зоне системы. [17] Таким образом, было обнаружено, что принцип Златовласки применим и к металличности; системы с низкой металличностью имеют низкую вероятность образования планет земной массы вообще, в то время как избыточная металличность приводит к развитию большого количества газовых гигантов, нарушая орбитальную динамику системы и изменяя обитаемость планет земной группы в системе.
Помимо того, что звезда находится в химически выгодном для развития жизни регионе галактики, она также должна избегать чрезмерного количества катастрофических космических событий, которые могут нанести ущерб жизни на ее в остальном пригодных для жизни планетах. [17] Например, близлежащие сверхновые могут серьезно навредить жизни на планете; при чрезмерной частоте такие катастрофические выбросы могут стерилизовать целый регион галактики на миллиарды лет. Например, галактический балдж испытал начальную волну чрезвычайно быстрого звездообразования, [10] вызвав каскад сверхновых, который на пять миллиардов лет оставил эту область практически полностью неспособной к развитию жизни.
В дополнение к сверхновым, гамма-всплескам , [18] чрезмерному количеству радиации, гравитационным возмущениям [17] и различным другим событиям было предложено влиять на распределение жизни в галактике. К ним относятся, спорно, такие предложения, как «галактические приливы» с потенциалом вызывать кометные удары или даже холодные тела темной материи [18] , которые проходят через организмы и вызывают генетические мутации. [19] Однако влияние многих из этих событий может быть трудно количественно оценить. [17]
Различные морфологические особенности галактик могут влиять на их потенциальную пригодность для жизни. Например, спиральные рукава являются местом звездообразования, но они содержат многочисленные гигантские молекулярные облака и высокую плотность звезд, которые могут возмущать облако Оорта звезды , посылая лавины комет и астероидов к любым планетам, находящимся дальше. [20] Кроме того, высокая плотность звезд и скорость массивного звездообразования могут подвергать любые звезды, вращающиеся внутри спиральных рукавов слишком долго, взрывам сверхновых, что снижает их перспективы выживания и развития жизни. [20] Учитывая эти факторы, Солнце выгодно размещено внутри галактики, поскольку, помимо того, что оно находится вне спирального рукава, оно вращается вблизи коротационного круга , максимизируя интервал между пересечениями спиральных рукавов. [20] [21]
Спиральные рукава также способны вызывать климатические изменения на планете. Проходя через плотные молекулярные облака галактических спиральных рукавов, звездные ветры могут быть отброшены назад до точки, в которой отражающий водородный слой накапливается в атмосфере вращающейся планеты, что, возможно, приводит к сценарию снежного кома Земли . [6] [22]
Галактический бар также может влиять на размер галактической зоны обитаемости. Считается, что галактические бары со временем растут, в конечном итоге достигая радиуса коротации галактики и нарушая орбиты уже находящихся там звезд. [21] Звезды с высокой металличностью, такие как Солнце, например, находящиеся в промежуточном положении между галактическим гало с низкой металличностью и галактическим центром с высокой радиацией, могут быть разбросаны по всей галактике, влияя на определение галактической зоны обитаемости. Было высказано предположение, что по этой причине может быть невозможно правильно определить галактическую зону обитаемости. [21]
Ранние исследования галактической зоны обитаемости, включая статью Гонсалеса, Браунли и Уорда 2001 года, не устанавливали никаких конкретных границ, а просто утверждали, что зона представляет собой кольцо, охватывающее область галактики, которая одновременно обогащена металлами и избавлена от чрезмерной радиации, и что обитаемость была бы более вероятной в тонком диске галактики. [10] Однако более поздние исследования, проведенные в 2004 году Лайнуивером и его коллегами, установили границы для этого кольца, в случае Млечного Пути они составили от 7 кпк до 9 кпк от центра галактики.
Команда Лайнуивера также проанализировала эволюцию галактической обитаемой зоны с течением времени, обнаружив, например, что звезды, близкие к галактическому балджу, должны были сформироваться в течение временного окна около двух миллиардов лет, чтобы иметь пригодные для жизни планеты. [17] До этого окна звезды галактического балджа не могли иметь пригодные для жизни планеты из-за частых событий сверхновых. Однако после того, как угроза сверхновых спала, увеличивающаяся металличность галактического ядра в конечном итоге привела бы к тому, что звезды там будут иметь большое количество гигантских планет, с потенциалом дестабилизировать звездные системы и радикально изменить орбиту любой планеты, расположенной в околозвездной обитаемой зоне звезды. [17] Однако моделирование, проведенное в 2005 году в Вашингтонском университете , показывает, что даже в присутствии горячих юпитеров земные планеты могут оставаться стабильными в течение длительных временных масштабов. [23]
Исследование 2006 года Милана Чирковича и его коллег расширило понятие зависящей от времени галактической обитаемой зоны, проанализировав различные катастрофические события, а также лежащую в основе вековую эволюцию галактической динамики. [18] В статье рассматривается, что количество обитаемых планет может сильно колебаться со временем из-за непредсказуемого времени катастрофических событий, тем самым создавая прерывистое равновесие , при котором обитаемые планеты более вероятны в некоторые моменты времени, чем в другие. [18] Основываясь на результатах моделирования Монте-Карло на игрушечной модели Млечного Пути, группа обнаружила, что количество обитаемых планет, вероятно, будет увеличиваться со временем, хотя и не в идеально линейном режиме. [18]
Последующие исследования привели к более фундаментальному пересмотру старой концепции галактической обитаемой зоны как кольца. В 2008 году исследование Никоса Пранцоса показало, что, хотя вероятность того, что планета избежит стерилизации сверхновой, была самой высокой на расстоянии около 10 кпк от галактического центра, огромная плотность звезд во внутренней галактике означала, что наибольшее количество обитаемых планет можно было найти именно там. [3] Исследование было подтверждено в статье 2011 года Майкла Гоуэнлока, который рассчитал частоту планет, выживших после сверхновых, как функцию их расстояния от галактического центра, их высоты над галактической плоскостью и их возраста, в конечном итоге обнаружив, что около 0,3% звезд в галактике могут сегодня поддерживать сложную жизнь, или 1,2%, если не учитывать приливную блокировку красных карликовых планет как препятствие для развития сложной жизни. [1]
Идея галактической зоны обитаемости подверглась критике со стороны Никоса Пранцоса на том основании, что параметры для ее создания невозможно определить даже приблизительно, и что, таким образом, галактическая зона обитаемости может быть просто полезным концептуальным инструментом, позволяющим лучше понять распределение жизни, а не быть самоцелью. [3] По этим причинам Пранцос предположил, что вся галактика может быть обитаемой, а не ограничиваться обитаемостью определенной областью в пространстве и времени. [3] Кроме того, звезды, «ездящие» по спиральным рукавам галактики, могут перемещаться на десятки тысяч световых лет от своих первоначальных орбит, тем самым поддерживая идею о том, что может не быть одной конкретной галактической зоны обитаемости. [4] [5] [6] Моделирование Монте-Карло, улучшающее механизмы, использованные Чирковичем в 2006 году, было проведено в 2010 году Дунканом Форганом из Королевской обсерватории Эдинбурга . Данные, собранные в ходе экспериментов, подтверждают идею Прантцоса о том, что не существует четко определенной галактической зоны обитания, что указывает на возможность существования сотен внеземных цивилизаций в Млечном Пути, хотя для окончательного определения потребуются дополнительные данные. [24]
Медиа, связанные с Обитаемой зоной на Wikimedia Commons