XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экзопланеты. Возможна ли жизнь на других планетах ?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
-
-
Что такое экзопланета?
-
Людей всегда интересовал вопрос существования жизни где угодно, кроме Земли. На самом деле, именно поэтому многие люди ассоциируют слово "экзопланета" с "планетой, подобной Земле". Самые громкие сообщения в новостях получают открытия экзопланет, расположенных в так называемой обитаемой зоне. то есть там, где не слишком жарко и не слишком холодно для существования водной жизни.
Экзоплане́та или внесолнечная планета, — планета, находящаяся вне Солнечной системы. Для того чтобы некое небесное тело можно было считать планетой, оно должно удовлетворять трем требованиям. Первое: тело должно вращаться вокруг звезды. Второе: масса планеты должна быть меньше массы звезды. Третье: вблизи орбиты планеты должно быть пространство.
Не смотря на то, что звезд на небе очень много и по аналогии с Солнечной системой может показаться, что вокруг них должно быть полно экзопланет, сейчас науке известно всего лишь чуть более 2000 объектов такого рода. Да и вообще наука начала заниматься ими удивительно недавно — около 20 лет назад. По состоянию на 9 апреля 2023 года достоверно подтверждено существование 5357 экзопланет в 3954 планетных системах, из которых в 855 имеется более одной планеты [2].
Ближайшая к Земле экзопланета — Проксима Центавра b. Первые попытки найти планеты вне Солнечной системы были связаны с наблюдениями за положением близких звёзд. Ещё в 1916 году Эдуард Барнард обнаружил красную звёздочку, которая «быстро» смещалась по небу относительно других звёзд. Это одна из ближайших к нам звёзд, с массой в семь раз меньше солнечной. Исходя из этого, влияние на неё потенциальных планет должно было быть заметным [1].
1.2 Именование экзопланет.
Название открытым экзопланетам присваиваются так:
-
Название звезды
-
Буква латинского алфавита, начиная с «b». Следующим планетам «c», «d» и так далее. Буква «a» не применяется, так как под ней подразумевается сама звезда.
Название присваиваются планетам в порядке их открытия. Если планеты обнаружили одновременно, то смотря на расстояние от звезды. Так же раньше были исключения, но такие планеты переименовали во избежание путаницы. Планеты имеют прозвища, например: 51 Пегаса b имеет неофициальное название «Беллефоронт».
Под экзопланетами подразумевается наличие на них микробов, растений и животных, но не обязательно цивилизаций. Вычисления ученых показали, что если в ближайшие десятилетия будет открыта хотя бы одна планета с возможными следами жизни, это будет означать, что в нашей галактике есть и другие подобные миры с вероятностью 95—97 % [1].
1.3 Методы и способы обнаружения экзопланет.
На данный момент подавляющее большинство известных внесолнечных планет были обнаружены только косвенными методами.
Радиальные скорости (метод Доплера)
Данный метод был очень успешным в поиске экзопланет, но обнаружил он небольшую часть. Он эффективен лишь для планет-гигантов. Звезда (в центре) и планеты вращаются вокруг взаимного центра масс. Это звездное движение обнаруживается методом радиальных скоростей.
Астрометрический метод
Поскольку звезда вращается вокруг центра масс, можно попытаться записать изменения положения и колебания звезды. Хотя эти вариации очень малы. В 2002 году космический телескоп Хаббла преуспел в использовании астрометрии для характеристики ранее обнаруженной планеты вокруг звезды Gliese 876.
Транзитный метод
Этот метод основан на наблюдении уменьшении светимости звезды при прохождении планеты на её фоне. Но этот способ значительно эффективнее по сравнению с методом радиальной скорости, не смотря на то, что непосредственно транзитный способ обнаруживает планеты большого объёма, он может показывать планеты, не смотря на её близость к звезде.
Метод прямого наблюдения
Первоначально визуализация экзопланет была одной из самых желанных целей исследования. Фотографии в видимом или инфракрасном свете могут дать больше информации о планете, чем любой другой неизвестный метод. Однако технически это оказалось намного сложнее, чем любой другой доступный метод, ни один детектор не мог идентифицировать планеты в звездном свете [1].
1.4 Планета Земля в сравнении с «супер Землёй» в масштабе
Долю звезд с меньшими или более удаленными планетами по-прежнему трудно оценить. Предполагается, что малые планеты (с массой, подобной Земной) встречаются чаще, чем планеты-гиганты. Также оказывается, что планеты на больших орбитах могут появляться чаще, чем планеты на малых орбитах. Согласно этой теории, возможно, у 20% звезд есть по крайней мере одна планета-гигант, и около 40% могут иметь планеты меньшей массы.
Независимо от точного соотношения звезд и планет, общее количество экзопланет должно быть очень большим. Поскольку в нашей галактике Млечный Путь насчитывается около 100 миллиардов звезд, в ней должны быть миллиарды планет, если не сотни миллиардов.
По оценкам астрономов, в Млечном Пути насчитывается около 40 миллиардов экзопланет размером с Землю и около 11 миллиардов вращаются вокруг своих звезд в обитаемой зоне [1].
1.5 Температура и состав экзопланет
Можно рассчитать температуру экзопланеты на основе интенсивности света, который она получает от своей родительской звезды. Однако эти оценки могут быть ошибочными, поскольку они зависят от обычно неизвестного альбедо (отражения поверхности) планеты.
Если планета обнаружена доплеровским методом и методом транзита, то можно измерить ее истинную массу и радиус, и в результате можно узнать плотность планеты. Планеты с низкой плотностью состоят в основном из водорода и гелия, тогда как планеты средней плотности содержат воду. Экзопланета высокой плотности каменистая, как Земля и другие планеты земной группы Солнечной системы.
Спектроскопические измерения могут быть использованы для изучения состава атмосферы проходящей планеты. Например, в атмосферах различных экзопланет были обнаружены водяной пар, пары натрия, метан и углекислый газ [2].
1.6 Физические характеристики экзопланет
В первые годы открытия внесолнечных планет большинство из них были уникальными системами с небольшими орбитальными периодами и эксцентрическими орбитами, очень близкими к родительской звезде: В последние годы астрономы смогли усовершенствовать свою технику, обнаружив планетные системы, более похожие на наши. Однако значительная часть планетных систем имеет планеты-гиганты на малых орбитах, которые сильно отличаются от нашей Солнечной системы. Недавно были обнаружены новые экзопланеты, массы которых примерно в 15 раз больше массы Земли, то есть сопоставимы с Нептуном, а также планеты, которые в 2 раза больше массы Земли [2].
1.7 Классы экзопланет
На сегодняшний день известно о нескольких тысяч экзопланет. Эти планеты делятся на четыре категории:
-
Большие, газовые гиганты;
-
“Нептуновые миры”;
-
“Супер-Земли” больше, чем Земля, но меньше, чем Нептун;
-
Планеты земного типа [2].
2.ЖИЗНЬ НА ЭКЗОПЛАНЕТАХ ВОЗМОЖНА?
2.1ФАКТОРЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИЗНИ НА ПЛАНЕТЕ
Жидкая вода является ключевым фактором возникновения и развития жизни земного типа. Жизнь на планетах вокруг самых легких звезд маловероятна. Как будет показано далее, обитаемые зоны таких звезд находятся на небольшом расстоянии друг от друга. В результате на планету действуют мощные приливные силы, синхронизирующие ее вращение с орбитой. В результате планета всегда обращена одной стороной к звезде (нет смены дня и ночи) и, кроме того, ось ее вращения перпендикулярна плоскости ее орбиты (нет сезонных изменений). Это может сделать невозможным возникновение или формирование жизни. Негативное влияние на планеты оказывают также звездные ветры и потоки ультрафиолетового излучения, которые не только отрицательно влияют на различные формы жизни, но и способствуют потере атмосферы планеты (особенно водной).
Для защиты планеты от звездных ветров необходимо магнитное поле, что требует наличия у планеты жидкого железного ядра. Кроме того, медленное вращение планеты после синхронизации ее вращательного и орбитального периодов может препятствовать формированию сильного магнитного поля даже при наличии жидкого ядра. Это наложит дополнительные ограничения на массу и другие параметры пригодных для жизни планет.
Жизни на планете могут угрожать неблагоприятные внешние воздействия, например вспышки близких сверхновых или прохождение планетной системы через межзвездное облако высокой плотности. Таким образом, в Галактике существуют регионы, где длительная стабильная эволюция жизни более вероятна и менее вероятна. Например, на расстояниях менее 1-2 килопарсек от центра прошлая активность сверхмассивной черной дыры в центре Галактики может оказаться губительной для жизни. Положение Солнца согласуется с нашими представлениями о том, где находятся наиболее благоприятные регионы для долгоживущих биосфер с развитыми формами жизни [3].
2.2 ДРУГИЕ ФОРМЫ ЖИЗНИ
В основе жизни на Земле лежат вода как растворитель, соединения углерода как основа, кислород как окислитель и фосфор, играющий важную роль в биохимии. Могут ли другие вещества быть основой для существования жизни? Пока на этот счет существуют только гипотезы, но некоторые из них обсуждаются достаточно серьезно. Лабораторные эксперименты показали, что в ДНК могут использоваться другие азотистые основания (или их количество может отличаться от того, которое используется всеми организмами на Земле). Кроме того, безусловно, возможно изменение или расширение списка аминокислот, используемых организмами. Таким образом, вполне возможно существование форм жизни, основанных на углероде и воде, но использующих другой "биохимический набор".
Альтернативными растворителями могут быть, например, аммиак, метанол, формамид и, возможно, метан.
Кроме того, вода - не единственный растворитель, в котором может существовать жизнь. Действительно, в определенных температурных диапазонах вода является наилучшим вариантом, особенно для жизни на основе углерода (а вода и углерод более распространены, чем другие возможные растворители). Однако существуют и другие жидкости, способные выполнять эту роль. Важно, что это так называемые полярные растворители, и кроме воды это спирты, аммиак, формамид (амид муравьиной кислоты) и некоторые другие жидкости. В экзотических условиях растворителем может быть жидкий сероводород (pS) или углекислый газ (CO2). Некоторые исследователи считают подходящими веществами серную, плавиковую и синильную кислоты! Конечно, при смене растворителя меняется вся биохимия, например, молекулы ДНК приходится заменять другими молекулярными носителями генетической информации. Меняется растворитель - меняется вся биохимия.
Аммиак - один из лучших кандидатов на роль растворителя. Во многих отношениях аммиак похож на воду, и очень легко представить себе основы биохимии с аммиаком в качестве растворителя. Например, во многих случаях двойная связь углерод-кислород заменяется на углерод-азот. Аммиак, остающийся жидким при более низких температурах, чем вода, может стать основой жизни в холодных телах. Однако некоторые свойства этой жидкости (например, аммиачный лед тяжелее жидкой фазы, что может, например, привести к полному замерзанию океанов) могут препятствовать развитию жизни, выходящей за рамки бактерий [3].
2.3 ЕСТЬ ЛИ ЖИЗНЬ НА ЭКЗОПЛАНЕТАХ
Если микроорганизмы могут расти в водородной атмосфере, то горизонты расширяются, поскольку водород - самый распространенный элемент в огромном Млечном Пути, и возможностей для существования такой планеты множество. Другими словами, с каждым годом мы все ближе к большим разгадкам.
Более того, в таких условиях могут размножаться даже дрожжи с ядром. Эксперименты показывают, что такие организмы могут без проблем менять кислород (которым они обычно питаются) на водород. Из-за недостатка энергии у них снижается метаболизм, но они развиваются.
Такие атмосферы существуют и на каменистых экзопланетах. Такие планеты обладают огромной массой и сильной гравитацией, а водород - очень легкий газ, который могут удерживать экзопланеты. В ближайшем будущем телескопы смогут увидеть такие планеты, и ученые смогут проверить свои теории.
Конечно, вопрос о том, могут ли в водородной атмосфере развиваться более сложные формы жизни, является спорным.
Микроорганизмы в таких условиях развиваются без проблем, а вот как поведут себя более сложные формы, необходимо изучать дальше. Такие эксперименты можно без проблем проводить и на Земле [4].
2.4 ОБИТАЕМАЯ ЭКЗОПЛАНЕТА
В 2011 году, спустя два года после начала исследований, телескоп "Капер" обнаружил в созвездии Лиры экзопланету KOI-3010.01 (KOI-3010b), которая по многим параметрам напоминает Землю.
Эта загадочная планета вращается вокруг красной карликовой звезды KOI-3010, удаленной от Солнечной системы на 1 213 световых лет.
Изучив размеры планеты, ее плотность, массу, температуру поверхности и расстояние до родительской звезды, ученые оценили ее в 0,84 балла по шкале ESI. Это означает, что KOI-3010.01 на 84 процента похожа на нашу планету и пригодна для жизни.
Эта экзопланета состоит из силикатных пород и железа. Она в 1,8 раза больше Земли и весит в два раза больше, чем Земля. Это означает, что сила тяжести на ее поверхности в два раза больше, чем на Земле. Это означает, что человек весом 75 кг будет ощущать вес 150 кг.
Для прохождения одной орбиты вокруг красного карлика требуется 61 день. Это означает, что один календарный год на красном карлике всего на два месяца длиннее, чем на Земле.
Химический состав
Ученые считают, что химический состав KOI-3010.01 такой же, как и у Земли. Пока мало что известно о плотности и составе атмосферы, но важно то, что атмосфера существует. Некоторые ученые убеждены, что атмосфера этой далекой планеты удивительно похожа на земную.
Около 65-70 % экзопланет имеют океаны. На Земле этот показатель составляет чуть менее 71 %. Глубина океанов, размер и расположение континентов пока неизвестны.
Средняя температура поверхности KOI-3010.01 составляет около 20°C. Температура Земли составляет 15°C. Родительская звезда, вокруг которой вращается эта экзопланета, на 29 процентов холоднее Солнца. Поэтому близость экзопланеты к Солнцу создает комфортные условия для жизни.
Ученые резюмируют, что условия для возникновения и поддержания жизни на экзопланете KOI-3010.01 на 6 процентов комфортнее, чем на Земле. Учитывая, что планета вдвое старше Земли, вероятность возникновения и развития жизни на ней составляет очень высокие 84 процента.
3.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ОПРОС СРЕДИ УЧАЩИХСЯ УЧРЕЖДЕНИЯ ЛИЦЕЯ
Я провела опрос среди учащихся моей школы, чтобы узнать, сколько процентов людей считают, что на других планетах возможна жизнь. После составила диаграмму, на которой можно заметить, что большая часть людей считает, что жизни на других планетах не существует.
На диаграмме мы видим, что 66% школьников думает, что жизнь на экзопланетах отсутствует, напротив, 34% учащихся считают иначе. После ученики ответили на вопросы, которые касались их выбора. Большинство сказали, что не углублялись в данную тему и делали выбор лишь на основании своего мнения. Другие отвечали, что они полагались на свои знания об экзопланетах и статьям в интернете.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Одной из наиболее важных и интересных задач современной астрофизики является обнаружение жизни в других планетных системах. Трудности решения этой проблемы связаны, прежде всего, с тем, что наши средства наблюдения крайне ограничены и о полетах к другим звездам мы можем только мечтать. . Вторая трудность заключается в том, что нам известен только один пример биосферы.
Вывод: моя гипотеза доказана. Мы представляем себе (очень приблизительно) условия возникновения и развития жизни, химические процессы и их продукты только в условиях биосферы Земли. Это позволяет примерно сформулировать предполагаемые астрономические макропараметры экзопланет и их спутников, на которых может существовать такая жизнь. Для других типов биосфер сформулировать четкие критерии эффективного поиска с помощью дистанционных (телескопических) наблюдений не представляется возможным. Единственная известная нам форма жизни - земная.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1,стр.3-5] https://ru.wikipedia.org/wiki/Экзопланета
[2,стр.6-7]https://mirax.space/issledovanie/ekzoplanety
[3,стр.8-10]https://scientifically.info/publ/5895
[4, стр.11]https://dzen.ru/a/X2pK-nQOMnob61Og
[5,стр.13]https://o-kosmose.com/glubokiy-kosmos/koi-3010-01-chto-izvestno-o-dalekoy-ekzoplanete-pohozhey-na-zemlyu