.jpg/1280px-PlanetaSH(3).jpg)
Сверхобитаемый мир — это гипотетический тип планеты или луны, которая лучше подходит для возникновения и эволюции жизни, чем Земля . Эта концепция была введена в статье 2014 года Рене Хеллера и Джона Армстронга, в которой они критиковали язык, используемый при поиске обитаемых экзопланет , и предлагали разъяснения. [2] Авторы утверждали, что знание того, находится ли мир в обитаемой зоне звезды, недостаточно для определения его обитаемости, что принцип посредственности не может адекватно объяснить, почему Земля должна представлять собой архетипический обитаемый мир, и что преобладающая модель характеристики была геоцентрической или антропоцентрической по своей природе. Вместо этого они предложили биоцентрический подход, который отдавал приоритет астрофизическим характеристикам, влияющим на обилие и разнообразие жизни на поверхности мира. [2]
Если мир обладает более разнообразной флорой и фауной, чем на Земле, то это эмпирически показывает, что его естественная среда более гостеприимна для жизни. [3] Чтобы определить такой мир, следует рассмотреть его геологические процессы, возраст формирования, состав атмосферы , покрытие океаном и тип звезды, вокруг которой он вращается. Другими словами, сверхобитаемый мир, вероятно, будет больше, теплее и старше Земли , с равномерно распределенным океаном и вращающимся вокруг звезды главной последовательности K-типа . [4] В 2020 году астрономы, опираясь на гипотезу Хеллера и Армстронга, идентифицировали 24 потенциально сверхобитаемые экзопланеты на основе измеренных характеристик, которые соответствуют этим критериям. [5]
Характеристики звезды являются ключевым фактором для планетарной обитаемости . [6] Типы звезд, которые обычно считаются потенциальными хозяевами для обитаемых миров, включают звезды главной последовательности F, G, K и M-типа. [7] Самые массивные звезды — O , B и A-типа соответственно — имеют среднюю продолжительность жизни на главной последовательности , которая считается слишком короткой для развития сложной жизни, [8] варьируясь от нескольких сотен миллионов лет для звезд A-типа до всего лишь нескольких миллионов лет для звезд O-типа. [9] Таким образом, звезды F-типа описываются как «горячий предел» для звезд, которые потенциально могут поддерживать жизнь, поскольку их продолжительность жизни от 2 до 4 миллиардов лет была бы достаточной для обитаемости. [10] Однако звезды F-типа испускают большое количество ультрафиолетового излучения и без наличия защитного озонового слоя могут нарушить жизнь на основе нуклеиновых кислот на поверхности планеты. [10]
С другой стороны, менее массивные красные карлики , которые обычно включают звезды M-типа, являются наиболее распространенными и долгоживущими звездами во Вселенной, [11] но продолжающиеся исследования указывают на серьезные проблемы с их способностью поддерживать жизнь . Из-за низкой светимости красных карликов околозвездная обитаемая зона (HZ) [a] находится в очень близком расстоянии от звезды, что приводит к тому, что любая планета становится приливно заблокированной . [14] Однако главной заботой исследователей является склонность звезды к частым вспышкам высокоэнергетического излучения , особенно на ранних этапах ее жизни, которое может стереть атмосферу планеты . [15] В то же время красные карлики не испускают достаточного количества спокойного УФ-излучения (т. е. УФ-излучения, испускаемого в неактивные периоды ) для поддержания биологических процессов, таких как фотосинтез. [3]
Отвергая оба конца, звезды G и K-типа — желтые и оранжевые карлики соответственно — были основными объектами интереса для астрономов, поскольку они, как считается, обеспечивают наилучшие характеристики для поддержания жизни. Однако Хеллер и Армстронг утверждают, что ограничивающим фактором для обитаемости желтых карликов является их более высокая эмиссия спокойного ультрафиолетового излучения по сравнению с более холодными оранжевыми карликами. [16] По этой причине, наряду с более короткой продолжительностью жизни желтых карликов, авторы приходят к выводу, что оранжевые карлики предлагают наилучшие условия для сверхобитаемого мира. [3] Также называемые «звездами Златовласки», оранжевые карлики испускают достаточно низкие уровни ультрафиолетового излучения, чтобы исключить необходимость в защитном озоновом слое , но как раз достаточные для того, чтобы способствовать необходимым биологическим процессам. [17] [3] Более того, большая средняя продолжительность жизни оранжевого карлика (от 18 до 34 миллиардов лет по сравнению с 10 миллиардами лет для Солнца) обеспечивает стабильные обитаемые зоны, которые не сильно перемещаются на протяжении жизни звезды. [18] [19]
Возраст сверхобитаемого мира должен быть больше возраста Земли (~4,5 миллиарда лет). [18] Это основано на убеждении, что по мере старения планеты на ней увеличивается уровень биоразнообразия, поскольку у местных видов было больше времени для эволюции, адаптации и стабилизации условий окружающей среды, подходящих для жизни. [18] Что касается максимального возраста, исследования указывают на то, что скалистые планеты существовали уже 12 миллиардов лет назад. [20]
Первоначально считалось, что поскольку старые звезды содержали мало или вообще не содержали тяжелых элементов (т. е. металличности ), они не могли образовывать каменистые планеты. [20] Ранние открытия экзопланет подтвердили эту гипотезу, поскольку они были в основном газовыми гигантами, вращающимися в непосредственной близости от звезд с обилием тяжелых металлов. Однако в 2012 году космический телескоп «Кеплер» поставил под сомнение это предположение, когда обнаружил множество каменистых экзопланет, вращающихся вокруг звезд с относительно низкой металличностью. [20] Эти результаты свидетельствуют о том, что первые планеты размером с Землю, вероятно, появились гораздо раньше в истории Вселенной, около 12 миллиардов лет назад. [20]
Во время фазы главной последовательности звезда сжигает водород в своем ядре, производя энергию посредством ядерного синтеза. Со временем, по мере потребления водородного топлива, ядро звезды сжимается и нагревается, что приводит к увеличению скорости синтеза. Это заставляет звезду постепенно становиться более яркой, и по мере увеличения ее яркости растет количество излучаемой ею энергии, выталкивая обитаемую зону (ОЗ) наружу. [23] [24] Поскольку светимость звезды главной последовательности постепенно увеличивается на протяжении всей ее жизни, ее ОЗ не статична, а медленно движется наружу. Это означает, что любая планета будет испытывать ограниченное время в ОЗ, известное как ее «жизнь в обитаемой зоне». [23] Исследования показывают, что орбита Земли лежит вблизи внутреннего края ОЗ Солнечной системы , [14] что может нанести ущерб ее долгосрочной пригодности для жизни, поскольку она приближается к концу своего существования в ОЗ.
В идеале орбита сверхобитаемого мира должна быть дальше и ближе к центру HZ относительно орбиты Земли, [25] [26] но знание того, находится ли мир в этом регионе, само по себе недостаточно для определения обитаемости. [3] Не все каменистые планеты в HZ могут быть обитаемыми, в то время как приливное нагревание может сделать планеты или луны пригодными для жизни за пределами этого региона. Например, луна Юпитера Европа находится далеко за пределами внешних границ HZ Солнечной системы, однако в результате ее орбитальных взаимодействий с другими галилеевыми лунами считается, что под ее ледяной поверхностью находится подповерхностный океан жидкой воды . [27]
Не существует единого мнения относительно оптимальной скорости вращения для пригодности для жизни, но вращение планеты может влиять на наличие геологически активной тектоники плит и генерацию глобального магнитного поля. [28] [29]
Согласно статье Джонатана Джернигана и его коллег 2023 года, морская биологическая активность увеличивается на планетах с увеличением наклона и эксцентриситета. Авторы предполагают, что планеты с высоким наклоном и/или эксцентриситетом могут быть сверхобитаемыми, и что ученые должны быть заинтересованы в поиске биосигнатур на экзопланетах с такими орбитальными характеристиками. [30]
Предполагая, что большая площадь поверхности обеспечит большее биоразнообразие, размер сверхобитаемого мира должен быть, как правило, больше 1 R 🜨 , при условии, что его масса не является произвольно большой. [31] Исследования зависимости массы от радиуса показывают, что существует точка перехода между каменистыми планетами и газообразными планетами (т. е. мини-Нептунами ), которая происходит около 2 M 🜨 или 1,7 R 🜨 . [32] [33] Другое исследование утверждает, что существует естественный предел радиуса, установленный на уровне 1,6 R 🜨 , ниже которого почти все планеты являются земными , состоящими в основном из смесей камня, железа и воды. [34]
Хеллер и Армстронг утверждают, что оптимальная масса и радиус сверхобитаемого мира могут быть определены геологической активностью; чем массивнее планетарное тело, тем дольше оно будет непрерывно генерировать внутреннее тепло — основной фактор, способствующий тектонике плит. [31] Однако слишком большая масса может замедлить тектонику плит, увеличивая давление мантии. [31] Считается, что тектоника плит достигает пика в телах от 1 до 5 M 🜨 , и с этой точки зрения планету можно считать сверхобитаемой примерно до 2 M 🜨 . [35] Если предположить, что эта планета имеет плотность, близкую к земной, ее радиус должен быть между 1,2 и 1,3 R 🜨 . [35] [31]
Важным геологическим процессом является тектоника плит , которая, по-видимому, распространена на планетах земной группы со значительной скоростью вращения и внутренним источником тепла . [36] Если на планете присутствуют большие водоемы, тектоника плит может поддерживать высокий уровень углекислого газа ( CO
2) в ее атмосфере и повысить глобальную температуру поверхности посредством парникового эффекта . [37] Однако, если тектоническая активность не будет достаточно значительной, чтобы повысить температуру выше точки замерзания воды , планета может испытать постоянный ледниковый период , если только этот процесс не будет компенсирован другим источником энергии, таким как приливный нагрев или звездное излучение . [38] С другой стороны, если эффекты любого из этих процессов слишком сильны, количество парниковых газов в атмосфере может вызвать неуправляемый парниковый эффект , удерживая тепло и предотвращая адекватное охлаждение.
Наличие магнитного поля важно для долгосрочной выживаемости жизни на поверхности планеты или луны. [22] Достаточно сильное магнитное поле эффективно защищает поверхность и атмосферу мира от ионизирующего излучения, исходящего из межзвездной среды и ее звезды-хозяина. [22] [39] Планета может генерировать собственное магнитное поле через динамо , которое включает в себя внутренний источник тепла, электропроводящую жидкость, такую как расплавленное железо , и значительную скорость вращения , в то время как луна может быть внешне защищена магнитным полем своей планеты-хозяина. [ 22] Менее массивные тела и те, которые приливно заблокированы, вероятно, будут иметь слабое или отсутствующее магнитное поле, что со временем может привести к потере значительной части ее атмосферы из-за гидродинамического выхода и превращению планеты в пустыню . [31] Если вращение планеты слишком медленное, как, например, у Венеры, то она не может генерировать магнитное поле , подобное земному . Более массивная планета могла бы преодолеть эту проблему, имея на борту несколько лун , которые посредством своего совокупного гравитационного воздействия могли бы усилить магнитное поле планеты. [40]
Внешний вид сверхобитаемого мира должен быть похож на условия, существующие в тропическом климате Земли. [41] Из-за более плотной атмосферы и меньшего колебания температуры на ее поверхности, такой мир не будет иметь крупных ледяных щитов и будет иметь более высокую концентрацию облаков, в то время как растительная жизнь потенциально будет покрывать большую часть поверхности планеты и будет видна из космоса. [41]
Принимая во внимание различия в пиковой длине волны видимого света для звезд K-типа и нижнего звездного потока планеты, поверхностная растительность может иметь цвета, отличные от типичного зеленого цвета, встречающегося на Земле. [42] [43] Вместо этого растительность на этих мирах может иметь красный, оранжевый или даже фиолетовый цвет. [44]
Океан, покрывающий большую часть поверхности мира с дробными континентами и архипелагами, мог бы обеспечить стабильную среду на всей своей поверхности. [45] Кроме того, большая поверхностная гравитация сверхобитаемого мира могла бы уменьшить среднюю глубину океана и создать мелководные океанические бассейны , обеспечивая оптимальную среду для процветания морской жизни . [46] [47] [48] Например, морские экосистемы, обнаруженные в мелководных районах океанов и морей Земли, учитывая количество света и тепла, которое они получают, как наблюдается, имеют большее биоразнообразие и, как правило, считаются более комфортными для водных видов. Это привело исследователей к предположению, что мелководные среды на экзопланетах должны быть аналогичным образом пригодны для жизни. [45] [49]
В целом климат сверхобитаемой планеты будет теплым, влажным и однородным, что позволит жизни распространяться по всей поверхности без существенных различий в численности населения. [50] [51] Эти характеристики контрастируют с характеристиками Земли, на которой есть более изменчивые и негостеприимные регионы, включающие холодную тундру и сухие пустыни . [52] Пустыни на сверхобитаемых планетах будут иметь более ограниченную площадь и, вероятно, будут поддерживать прибрежные среды, богатые местообитаниями. [53]
Оптимальная температура поверхности для жизни земного типа неизвестна, хотя, по-видимому, на Земле разнообразие организмов было больше в более теплые периоды. [54] Поэтому возможно, что экзопланеты с немного более высокими средними температурами, чем у Земли, более пригодны для жизни. [55] Более плотная атмосфера сверхобитаемой планеты естественным образом обеспечит более высокую среднюю температуру и меньшую изменчивость глобального климата. [28] [48] В идеале температура должна достигать оптимального уровня для растительной жизни, который составляет 25 °C (77 °F). Кроме того, большой распределенный океан имел бы возможность регулировать температуру поверхности планеты подобно океаническим течениям Земли и мог бы позволить ей поддерживать умеренную температуру в пределах обитаемой зоны. [56] [53]
Нет никаких веских аргументов, объясняющих, имеет ли атмосфера Земли оптимальный состав, [16] но относительные уровни атмосферного кислорода необходимы для удовлетворения высоких энергетических потребностей сложной жизни ( O
2). [57] Поэтому предполагается, что обилие кислорода в атмосфере необходимо для сложной жизни в других мирах. [16] [57]
В сентябре 2020 года Дирк Шульце-Макух и его коллеги выделили 24 претендента на сверхобитаемые планеты из более чем 4000 подтвержденных экзопланет и кандидатов в экзопланеты. [5] Критерии включали измеримые факторы, такие как тип звезды, возраст планеты, масса, радиус и температура поверхности. Авторы также рассматривали более гипотетические факторы, такие как наличие обильной воды, большой луны и геологический механизм переработки, такой как тектоника плит. [58]
Kepler-1126b (KOI-2162.01) и Kepler-69c (KOI-172.02) — единственные объекты в списке, которые были подтверждены как экзопланеты. [59] Однако более ранние исследования Kepler-69c показывают, что, поскольку его орбита находится вблизи внутреннего края HZ, его атмосфера, вероятно, может находиться в состоянии неконтролируемого парникового эффекта, что может сильно повлиять на перспективы его обитаемости. [60] Полный список можно найти ниже. [61]
