XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Поиск нового дома для землян. Расчет коэффициента подобия Земли ESI для планеты Ross-128b
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальнoсть темы:
Проделанная мною работа по расчету коэффициента подобия Земли ESI для планеты Ross-128b важна начинающим астрономам и астрофизикам:
для изучения потенциальной возможности продолжения жизни на других планетах в далеком будущем;
для возможности самостоятельного исследования показателей планет;
для просветительской деятельности и более углубленного изучения отдельных научных вопросов в области астрoномии и астрофизики.
Поиск планеты в космосе, где возможно выживание цивилизации человечества - это решение проблемы, если в случае глобальной катастрофы жизнь на Земле станет невозможна… Освоение космоса –это и есть путь к решению проблемы , если Земля станет непригодной для человека . Астрофизики ищут и исследуют «запасные» планеты.
Предмет исследования: экзопланеты.
Экзопланета - внесолнечная планета, вращающаяся вокруг звезды расположенной за пределами Солнечной системы.
Цель проекта:
изучение самых известных экзопланет;
изучение параметров, по которым ученые отнесли их к возможным для заселения людьми;
получение новых знаний по астрономии.
Задачи:
изучить классификацию экзoпланет;
сравнить параметры некоторых экзопланет ;
рассчитать коэффициент подобия Земли ESI для планеты Ross-128b;
Гипoтеза: существует планета, и возможно она найдена, экзопланета, пригодная для продолжения жизни человечества. Данная планета удовлетворяет условиям обитаемости для живых организмов, в том числе землян.
1. Теоретическая часть
1.1. Экзопланеты и их виды
Экзопланета - внесолнечная планета, вращающаяся вокруг звезды расположенной за пределами Солнечной системы. В отличие от звезд, планеты довольно тусклы и их обнаружение это довольно сложная задача. Они, как правило, на несколько порядков меньше по размеру, чем их материнские звезды. Поскольку они не излучают свет, а только его отражают, они в основном невидимы для оптических телескопов.
Классификация экзопланет по Сударскому — система классификации внешнего вида экзопланет-гигантов в зависимости от температуры их внешних слоев. Представление экзопланеты внешнему наблюдателю базируется на теоретической модели поведения атмосферы газового гиганта и данных о её химическом составе.
Класс I. Аммиачные облака
Класс II. Водные облака
Класс III. Безоблачные
Класс IV. Планеты с сильными линиями спектров щелочных металлов
Класс V. Кремниевые облака
1.2. Роль телескопов «Кеплер» и «Хаббл»
Для изучения космического пространства Американское космическое агентство (NASA) запустило 3 телескопа: "Кеплер" (рис. 1), "Хаббл" (рис 2) и «Джеймс Уэбб» (рис.3.) . Причём "Кеплер" предназначен только для поиска экзопланет. Экзопланеты были обнаружены и телескопом Европейской южной обсерватории, который находится в кратере потухшего вулкана в Чили.
Космический телескоп «Хаббл» — автоматическа( обсерватория на орбите вокруг Pемли, названная в честь американского астронома Эдвина Хаббла. «Хаббл» — совместный проект НАСА и Европейского космического агентства. Запущена 24 апреля 1990 года.
«Кеплер»— астрономический спутникNASА, оснащённый сверхчувствительным фотометром, специально предназначенный для поиска экзопланет (планет вне Солнечной системы — у других звёзд), подобных Земле.
Это первый космический аппарат, созданный с такой целью. Он назван в честь немецкого математика и астронома, открывшего законы движения планет-Иогана Кеплера.Наличие планеты у звезды определяется по периодическим изменениям яркости последней, вызываемым прохождениями планеты перед звездой.
Запуск состоялся 6 марта2009 года в 22:49 по времени Восточного побережья США (7 марта в 06:49 по московскому времени). За три года работы телескопом «Кеплер» были сделаны важные и даже сенсационные открытия, например, были обнаружены планеты размером с Землю и меньше. К началу 2014 года им было открыто более 3500 кандидатов в планеты, из которых более 1000 оказались подтверждены различными научными группами исследователей. Британские учёные установили, что орбитальный телескоп «Кеплер» способен обнаруживать не только удалённые экзопланеты, но и их спутники.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (англ. James Webb Space Telescope, JWST) — орбитальная инфракрасная обсерватория (рис. 3). В 2002 году переименован в честь второго руководителя НАСА Джеймса Уэбба (1906—1992), возглавлявшего агентство в 1961—1968 годах, во время реализации программы «Аполлон».
15 июня 2017 года НАСА и ЕКА опубликовали список первых целей в работе телескопа, включающие свыше 2100 наблюдений. Ими стали планеты и малые тела Солнечной системы, экзопланеты и протопланетные диски, галактики и скопления галактик, а также квазары.
Подавляющее большинство экзопланет были открыты транзитным методом, во вовремя прохождения планеты по диску звезды фотометр телескопа фиксирует изменение светимости последней.
2. Практическая часть
2.1. Кандидаты в потенциально обитаемые экзопланеты. Сравнение их характеристик и параметров
Основным фактором для обитаемости планеты является сама звезда и ее физические характеристики. Одним из способов определения того, насколько обитаемой может быть планета, является так называемый индекс подобия Земле (ESI). Этот показатель высчитывается на основе данных радиуса экзопланеты, ее плотности, температуры поверхности и данных о параболической скорости — минимальной скорости, которую необходимо придать объекту для того, чтобы он смог преодолеть гравитационное притяжение конкретного небесного тела. Индекс подобия Земле варьируется от 0 до 1, и любая планета, обладающая индексом выше 0,8, может рассматриваться как «землеподобная». В нашей Солнечной системе, например, Марс обладает индексом ESI равным 0,64 (аналогичный индекс у экзопланеты Kepler 186f), в то время как индекс Венеры составляет 0,78. Изучив данные NASA и ESO(Европейской южной обсерватории) можно собрать список из 10 наиболее интересных землеподобных планет.
2.1.1. Кеплер-22b
Это была первая экзопланета, обнаруженная в "зоне жизни" в рамках миссии телескопа "Кеплер". И среди озвученных планет "Кеплер-22b" является самым настоящим "сумоистом". Диаметр экзопланеты превышает земной в 2,4 раза. До сих пор не установлено, имеет ли данная планета каменистую поверхность, или покрыта водой, а быть может состоит из газа. Экзопланета была обнаружена почти сразу после начала наблюдений "Кеплером" в 2009 году.
И еще один интересный факт о "Кеплер-22b": 21 декабря 2012 года к данной планете был отправлен радиосигнал, содержащий информацию об окружающем нас мире и приветствиями потенциальным внеземным цивилизациям. Послание землян было отправлено с помощью радиотелескопа РТ-70, однако дойдет оно нескоро, так как экзопланета удалена на расстояние в 600 световых лет от нашей планеты.
2.1.2. Gliese 667Cc
Индекс ESI планеты Gliese 667Cc составляет 0,85. Планета была обнаружена в 2011 году. Она обращается вокруг красного карлика Gliese 667 в тройной системе звезд, находящейся «всего» в 24 световых годах от Земли. Экзопланета была обнаружена благодаря измерению лучевой скорости, в результате которого ученые выяснили, что в движении звезды происходят некоторые колебания, вызываемые гравитационным воздействием находящейся возле нее планет
Приблизительная масса экзопланеты в 3,8 раза больше массы Земли, однако ученые не представляют, каких размеров Gliese 667Cc. Выяснить это не удается потому, что планета не проходит перед звездой, что позволило бы высчитать ее радиус. Орбитальный период Gliese 667Cc составляет 28 дней. Она расположена в обитаемой зоне своей холодной звезды, что, в свою очередь, позволяет ученым предположить, что температура на ее поверхности составляет около 5 градусов Цельсия.
Впервые астрономы обнаружили планету вне нашей Солнечной системы, которая является потенциально пригодной для жизни, с температурами подобными земным, сопоставимыми с Землёй массой и размером, и, вероятно, жидкой водой на поверхности. Что приятно, потенциально обитаемый мир находится всего в двух десятках световых лет от нас. Когда-нибудь люди туда смогут добраться.
2.1.3. Gliese 581 c
О сенсационной находке рассказала международная группа из 11 астрономов (из Швейцарии, Португалии и Франции), которая работала в Чили, на одном из телескопов Европейской южной обсерватории (ESO). Учёные нашли сходную с Землёй планету у звезды Gliese 581, красного карлика, расположенного в созвездии Весы.
Планета, получившая имя Gliese 581 c, обладает массой примерно в 5 масс Земли. Её диаметр оценивается в 1,5 диаметра нашей планеты, так что сила тяжести на её поверхности составляет приблизительно 1,6 g. Из-за этих параметров астрономы окрестили её также «Суперземлёй» (super-Earth).
Учёные предполагают, что эта планета — скалистый мир, сходный с Землёй по облику. Как возможный вариант — это может быть ледяная планета. Но в обоих случаях на её поверхности должна быть жидкая вода. Причём, в случае с ледяным миром — он может быть покрыт океаном полностью. А жидкая вода, насколько мы понимаем, — это условие для существования жизни.
2.1.4. Кеплер-69c
В первой половине 2013 года было объявлено еще об одной интересной экзопланете, однако она больше нашей планеты на 70%! В некотором смысле это плохие новости, т. к. по мнению ученых чем больше "супер-Земля", тем меньше шансов на обнаружение жизни на ней. Но есть и хорошие данные: экзопланета располагается в зоне жизни, а ее период обращения составляет 242 земных дня. К тому же, материнская звезда системы "Kepler 69" относится к спектральному классу G. Она очень похожа на Солнце: масса составляет 93% массы Солнца, а светимость -80% солнечной.
2.1.5. Kepler 62e и 62f
Две планеты с индексами ESI 0,83 и 0,67 соответственно были обнаружены космическим телескопом «Кеплер» в 2013 году, когда те проходили напротив своей родной звезды. Сама же звезда находится примерно в 1200 световых годах от нас и несколько холоднее Солнца. С планетарными радиусами в 1,6 раза и 1,4 раза больше земного, их орбитальный период составляет 122 и 267 дней соответственно, что говорит о том, что обе находятся в обитаемой зоне. Как и большинство других планет, обнаруженных телескопом «Кеплер», масса этих экзопланет остается неизвестной, однако ученые предполагают, что в обоих случаях она примерно в 30 раз больше земной. Температура каждой из планет может поддерживать наличие воды в жидкой форме. Правда, все будет зависеть от состава атмосферы, которой они обладают.
2.1.6. Kepler 438b
Экзопланета Kepler 438b обладает наиболее высоким показателем индекса ESI среди всех известных на данный момент экзопланет. Он составляет 0,88. Обнаруженная в 2015 году, эта планета обращается вокруг звезды класса красный карлик (значительно меньше и холоднее нашего Солнца) и обладает радиусом всего на 12 процентов больше земного. Сама звезда расположена примерно в 470 световых годах от Земли. Полный оборот планета совершает за 35 дней. Она находится в обитаемой зоне — пространстве внутри своей системы, где не слишком жарко и в то же время не слишком холодно, чтобы поддерживать наличие воды в жидкой форме на поверхности планеты.
Как и в случае других обнаруженных экзопланет, обращающихся вокруг малых звезд, масса данной экзопланеты не была изучена. Однако если эта планета обладает скалистой поверхностью, то ее масса, возможно, будет больше земной всего 1,4 раза, а температура на поверхности варьироваться от 0 до 60 градусов Цельсия. Как бы там ни было, индекс ESI не является ультимативным методом определения обитаемости планет. Ученые недавно провели наблюдение и выяснили, что на родной звезде планеты Kepler 438b довольно регулярно происходят очень мощные выбросы радиационного излучения, которые в конечном итоге могут делать эту планету совершенно необитаемой.
2.1.7. Кеплер-186f
В системе Kepler-186, расположенной на расстоянии 500 световых лет от Земли в созвездии Лебедь. Размеры планеты Kepler-186f превышают земной всего на 10%. Планета находится на сравнительно небольшом расстоянии от звезды: её период обращения вокруг материнской звезды, которая является красным карликом спектрального класса М, составляет 130 земных суток. И в тоже время, экзопланета находится на дальней границе "зоны жизни".
Энергия, получаемая Kepler-186f от своей звезды составляет третью часть от энергии, получаемой нашей планетой от Солнца. В полдень на поверхности планеты звезда Kepler-186 светит примерно также, как наше Солнце за час до своего захода. Состав атмосферы в общих чертах может быть схож с составом атмосферы Земли; температура на "Кеплер-186f" возможно такая же, как и на нашей планете. Но астрономы не исключают и сходство с атмосферой Венеры, следовательно температура на планете будет намного выше.
2.1.8 Kepler 442b
Планета Kepler 442b с радиусом в 1,3 раза больше радиуса Земли и индексом ESI 0,84 была обнаружена в 2015 году. Она обращается вокруг звезды, которая холоднее Солнца и находится примерно в 1100 световых годах от нас. Ее орбитальный период составляет 112 дней, что говорит о том, что она находится в обитаемой зоне своей звезды. Однако температура на поверхности планеты может опускаться до -40 градусов Цельсия. Для сравнения: температура на полюсах Марса в зимний период может снижаться до -125 градусов. Опять же, масса этой экзопланеты неизвестна. Но если она обладает скалистой поверхностью, то ее масса может быть в 2,3 раза больше массы Земли.
2.1.9. Kepler 452b
Kepler 452b с индексом ESI 0,84 была обнаружена в 2015 году и стала первой обнаруженной потенциально земплеподобной планетой, находящейся в обитаемой зоне и оборачивающейся вокруг звезды аналогичной нашему Солнцу. Радиус планеты примерно в 1,6 раза больше радиуса Земли. Полный оборот вокруг своей родной звезды, которая находится примерно в 1400 световых годах от нас, планета совершает за 385 дней. Так как звезда находится слишком далеко, а ее свет не слишком ярок, ученые не могут измерить гравитационное воздействие Kepler 452b и, как следствие, выяснить массу планеты. Имеется лишь предположение, согласно которому масса экзопланеты примерно в 5 раз больше массы Земли. При этом температура на ее поверхности по приблизительным оценкам может варьироваться от -20 до +10 градусов Цельсия.
2.2. Главный претендент на новый дом для землян
В 2021 году астрономы объявили об открытии экзопланеты всего в 11 световых годах от Земли. И не просто очередной экзопланеты, а скалистой экзопланеты, предположительно обладающей большим потенциалом для обитаемости. Новая группа исследователей провела более глубокий анализ открытого мира и обнаружила доказательства, подтверждающие данное предположение.
Исследуемым объектом оказалась планета Ross 128 b, оборачивающаяся вокруг звезды Ross 128. Группа астрономов под руководством Диого Суто из Национальной обсерватории Бразилии отмечает, что особенность данной звезды стала главной причиной и возможностью для дальнейшего исследования обнаруженной планеты.
Используя спектрограф APOGEE, установленный на 2,5-метровом широкоугольном телескопе в обсерватории Апачи-Пойнт (Нью-Мексико, США), исследователи провели анализ волн ближнего инфракрасного света звезды и с помощью нового метода выяснили ее химический состав. До недавнего времени было очень трудно получить химическую картину для подобного типа звезд.
Звезда Ross 128 относится к классу звезд красные карлики. Это самый многочисленный класс звезд в нашей галактике. На него приходится около 70 процентов всех светил в Млечном Пути. Они холоднее и меньше нашего Солнца. Еще одной интересной особенностью этого типа звезд является то, что рядом с большинством из них, как правило, имеется несколько экзопланет.
Поскольку красные карлики является довольно холодным типом звезд, протяженность зоны их обитаемости (условная область в космосе, в которой на расположенных в ней планетах условия будут близки к условиям на Земле и будут обеспечивать существование воды в жидкой фазе) чаще всего оказывается гораздо меньше, чем расстояние от Земли до Солнца.
Большинство красных карликов являются очень активными звездами. Например, Проксима Центавра, тоже являющаяся красным карликом, имеет возле себя экзопланету, располагающуюся в обитаемой зоне. Она расположена к Проксиме гораздо ближе, чем Ross 128 к своей звезде и, вероятнее всего, лишена какой-либо жизни, поскольку постоянные вспышки на Проксиме в буквальном смысле стерилизуют ее поверхность.
2.2.1 Исследование звезды Ross 128
Звезда Ross 128 оказалась весьма редким видом спокойных красных карликов с минимальной вспышечной активностью. Это в свою очередь делает расположенную возле нее планету Ross 128 b весьма интересной целью для исследования. Однако особенность угла орбиты планеты затрудняет прямое за ней наблюдение.
Способность установки APOGEE измерять ближний инфракрасный свет, где волны Ross 128 наиболее активны, стали ключом к возможности провести это исследование. Это позволило ученым выяснить некоторые фундаментальные особенности о «земплеподобности» планеты Ross 128 b.
Проанализировав волны ближнего инфракрасного спектра, исследователи смогли определить сколько углерода, кислорода, магния, алюминия, калия, кальция, титана и железа может содержать звезда. А это в свою очередь позволило ученым лучше разобраться в особенностях самой планеты, поскольку химический состав звезды в ходе формирования планеты так или иначе отражается в ее протопланетном диске из пыли и газа. Впоследствии это воздействие отражается в минеральном составе и внутренней структуры будущей планеты. Например, в опубликованной статье ученые говорят о том, что соотношение магния, железа и кремния в химическом составе указывает на особенность скорости вращения ядра каменистой планеты.
Исследователи выяснили, что звезда Ross 128 обладает тем же уровнем железа, что и наше Солнце. Ученым не удалось выяснить уровень содержащегося в ней кремния, но они отметили наличие в ее составе магния. Зная уровень железа и магния, ученые могут определить возможное минимальное значение размера ядра планеты, то есть его радиус.
В исследовании APOGEE наблюдаются в основном красные гиганты, но также наблюдаются М-карлики в окрестностях Солнца, чтобы заполнить недостающие волокна или в рамках вспомогательных проектов. С АPOGEE спектральный охват NIR (λ15,150-17 000Å) и спектроскопические возможности с высоким разрешением (Ганн и др., 2006; Уилсон и др., 2010), спектрограф APOGEE оказался отличным инструментом для детальных исследований M-карликов.
В качестве первого шага в анализе ученые провели тщательную идентификацию основных спектральных характеристик в спектре АПОГЕЯ Росса 128, учитывая, что это гораздо более холодный M-карлик.
Результаты исследований (Табл.1) указывают на то, что эффективная температура T_eff составляет 3231/3223 ± 100 К (MARCS/PHOENIX), а сила тяжести на поверхности (logg) Ross-128: 4.96/4.89 ± 0.11 (MARCS/PHOENIX). В астрофизике поверхностную гравитацию иногда выражают в виде lgg, который представляет собой десятичный логарифм от значения ускорения, выраженного в системе единиц СГС, в которой ускорение измеряется в см/с2. Следовательно, поверхностная гравитация Земли в системе СГС равна 980.665 см/с2, а десятичный логарифм этой величины равен 2.992.
Здесь MARCS представляет собой набор теоретических моделей звездных атмосфер и файлов образцов потоков, основанных на одноименном программном обеспечении Uppsala. Атмосфера звезды состоит из внешних слоев звезды, откуда исходит свет, который мы можем наблюдать. Атмосфера модели MARCS — это, по сути, большая таблица, описывающая, как температура, давление и многие другие величины изменяются с глубиной в атмосфере. Он рассчитывается на основе физических принципов и знаний о том, как свет и различные виды газов взаимодействуют друг с другом.
Модели MARCS являются гидростатическими и рассчитаны в предположении локального термодинамического равновесия (LTE) и локальной конвекции по длине смешения. Модели являются одномерными и рассчитаны для плоскопараллельной или сферической геометрии. Они охватывают от карликовых звезд до сверхгигантов в диапазоне эффективных температур от 2500 до 8000 К. Включены модели с общей металличностью [Fe/H] в диапазоне от -5,0 до +1,0, с различными соотношениями [α/Fe], а также некоторые гигантские модели с атмосферными эффектами циклирования CN.
В Таблице 2 представлены результаты численности, стандартное отклонение средней численности от принятых линий (std) и неопределенности изобилия для каждого вида (σ) в зависимости от изменений атмосферных параметров.
2.2.2. Исследование экзопланеты Ross 128 b
По мнению астрономов, ядро Ross 128 b, вероятнее всего, больше земного, но все равно находится в диапазоне размера свойственного для скалистых планет. Это подтверждает то, что планета не является газовым гигантом.
Знание примерного радиуса ядра позволило ученым выяснить и другие особенности. Исследователи определили, какой объем света и тепла в этом случае может достигать ее поверхности, с учетом температуры самой звезды. Выяснив это, ученые пришли к выводу, что планета действительно находится в зоне обитаемости. Исследователям по-прежнему многое неизвестно об этом мире. Они не знают, есть ли у нее магнитное поле и атмосфера. Если они все же есть – неизвестно, будут ли условия на ней благоприятны для существования жизни. У той же Венеры, например, тоже имеется атмосфера, но вы поджаритесь до хрустящей корочки, еще даже не достигнув ее поверхности.
Проведенное исследование планеты Ross 128 b в очередной раз подтвердило факт, насколько сложно вести изучение обнаруженных экзопланет напрямую.
Удивительно, что рассказать о планете нам может свет ее родительской звезды, в котором содержится информация о химическом составе этой системы.
Хотя Ross 128b не является «близнецом» Земли, она по-прежнему представляет большой интерес. Например, ученым хотелось бы выяснить статус ее геологической активности. Это позволило бы укрепить наши аргументы в пользу того, что температура на ее поверхности может подходить для наличия там воды в жидкой форме.
2.2.3 Расчет коэффициента подобия Земли ESI для Ross-128b
Рассчитаем коэффициент подобия Земли ESI для планеты Ross-128b, используя параметры:
Радиус экзопланеты относительно радиуса Земли;
Плотность экзопланеты;
Вторую комическую скорость(скорость для выхода с орбиты планеты);
Поверхностную температуру планеты.
Для расчета ESI для каждого параметра используем формулу :
2.2.3. Вывод из исследования:
Из всего этого следует, что надо искать звезду, с параметрами и свойствами, похожую на Солнце. Даже наиболее похожие на Землю планеты, в зависимости от активности их родных звезд, которая может очень отличаться от солнечной, могут быть неспособны поддерживать жизнь.
Другие планеты, в свою очередь, имеют размеры и температуру поверхности, отличающиеся от земных, что делает эти экзопланеты непригодными для продолжения цивилизации землян. Последними открытыми землеподобными являются экзопланета Кеплер-452b и Ross 128b.
По состоянию на 29 января 2022 года достоверно подтверждено существование 4949 экзопланет в 3643 планетных системах, из которых в 810 имеется более одной планеты.Раньше считалось, что только у Земли есть необходимый набор условий для жизни. Однако есть огромное количество светил с планетами, и возможность найти такую же, как Земля, с подходящими условиями для жизни, постоянно увеличивается. Открытые новые экзопланеты это подтверждают.
3. Вывод
Экзопланета Ross 128b является скалистой планетой. Выдвинув гипотезу, что данная планета «землеподобная», мы рассчитали общий коэффициент подобия Земли ESI для планеты Ross 128b. Он находится в пределах 0,82-0,84, следовательно, данная планета удовлетворяет условиям обитаемости для живых организмов, в том числе землян. Расстояние до экзопланеты Ross 128b составляет всего лишь 11 световых лет. Поэтому данную планету можно считать претендентом на новый дом для землян.
Список используемойлитературы :
Earth Similarity Index and Habitability Studies of Exoplanets, arxiv.org
Fundamentals of Astronomy for Science Students 6th Edition, Hannu Karttunen
Stellar and Planetary Characterization of the Ross 128 Exoplanetary System from APOGEE Spectra, iopscience.iop.org
The Search For Life, exoplanets.nasa.gov