VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Жизнь на экзопланетах
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Вступление
Безграничная Вселенная всегда тянула людей познавать мир больше, чем можно представить. Так человечество многие тысячи лет думало, что Земля это центр Мира и за границами сферы неподвижных звёзд нет ничего. Множество великих учёных тех времён погибали из-за попыток изменить мировоззрение жителей Земли и открыть всем глаза. Сейчас современное общество полностью поменяло своё мнение, а астрономы, физики и другие умы мира открывают всё больше и больше тайн Вселенной. С тех пор, как я увлекся астрономией, мне было интересно узнать: «- Есть кто-то разумный и как его найти во Вселенной?» Сначала я думал, что можно встретить инопланетян. Но взрослея и изучая новые науки, определил для себя, что найти разумную жизнь можем изучая планеты в других частях вселенной. И так - что же это за планеты?
Цель проекта:
Изучить вероятность существования жизни на экзопланетах.
Задачи:
1. Выяснить, что такое экзопланеты.
2. Изучить способы поиска экзопланет.
3. Рассмотреть уравнение Дрейка.
2. Что такое экзопланеты
Помимо всем известных восьми планет нашей Солнечной системы, существует невероятное множество других, и у всех этих планет есть своё название – экзопланеты. Эти планеты находятся вне Солнечной системы, но по своим характеристикам: наличием атмосферы, количеством получаемой энергии от звезды, окружение газами способными поддержать жизнь - могут походить на нашу Землю. Это самостоятельные миры, обитающие на орбитах других звезд, и они бывают самыми разными: от гигантских газовых гигантов, превосходящих по размеру Юпитер, до небольших скалистых планет подобных Земле или Марсу. Дальние планеты могут быть очень горячими, да такими, что металл плавится на их поверхностях. А другие - окажутся ледяными снежными шарами. Многие из них так быстро и близко вращаются вокруг своих звезд, что их год длится несколько земных дней. А у некоторых может быть два солнца. Есть так же и изгнанные из своих систем странники, которые блуждают в темноте по Галактике.
В последнее десятилетие технологии позволили получить информацию о тысячах новых экзопланетах. Теперь мы живем во вселенной экзопланет. Их количество постоянно увеличивается, и на данный момент число подтвержденных планет за пределами Солнечной системы перешагнуло рубеж в 3700, но уже в ближайшем десятилетии количество найденных экзопланет может скакнуть до отметки в десятки тысяч.
Я заинтересовался возможностью существования жизни на экзопланетах. Мой первый интерес был о возможности встречи с инопланетянами на Земле. Но уже учась в старших классах, и получив основы физики, астрономии и географии, я по-другому посмотрел на этот вопрос. Я стал изучать материалы, которые чуть ли не каждую неделю появлялись, об открытиях новых планет с характеристиками возможными для жизни. Гигантские расстояния разделяющие наши планеты, не дадут быстрого ответа на вопрос «– Есть ли жизнь в космосе?». Ученые идут постепенными шагами, используя те технические возможности, которые соответствуют времени исследователя. Человечество несколько веков размышляло о возможности существования планет вокруг далеких звезд, и теперь мы с уверенностью говорим, что внесолнечные миры действительно существуют. Недавно у нашей ближайшей соседки, Проксима Центавра, была открыта скалистая планета. Расстояние до нее примерно 4,5 световых года или 40 триллионов километров. Однако большая часть найденных экзопланет находится в сотнях или тысячах световых лет от нас.
Наша Галактика Млечный путь – огромное семейство звезд, простирающееся примерно на 100 000 световых лет. Его спиральная структура содержит около 400 миллиардов жильцов, и наше Солнце среди них. Если каждая из этих звезд имеет на орбите не одну планету, а несколько, как в Солнечной системе, то число миров в Млечном Пути просто астрономическое: счет идет на триллионы.
Плохая новость: пока у нас нет способа добраться до них. Хорошая новость: мы можем смотреть на них, оценивать температуру, «прощупывать» атмосферу и, возможно, в ближайшее время обнаружим признаки жизни,
которые скрыты в тусклом свете, поступающем от этих далеких миров.
Первой экзопланетой, получившей известность, была 51 Pegasi b, находящаяся в 50 световых годах от нас. Она совершает один оборот вокруг звезды за 4 земных дня. Другая экзопланета, известная сегодня как Тадмор, была обнаружена в 1988 году. Хотя из-за недостаточного количества доказательств ее существование было поставлено под сомнение, но 2002 году дополнительные наблюдения подтвердили, что вокруг Гамма Цефея A действительно вращается планета. Так же в 1992 году, была открыта система из «пульсарных планет». Эти миры вращаются у мертвой звезды, пульсара PSR 1257+12, находящейся на расстоянии 2300 световых лет от Земли.
Как мы к этому пришли?
Мы стоим на пороге великих открытий. Эпоха ранних исследований и первые подтверждённые экзопланеты, подготовили почву для следующего этапа: охоте за далекими мирами с более «зоркими» и сложными телескопами в космосе и на земле. Некоторым их них было поручено проводить точную перепись планет, вычисляя разнообразные размеры и типы. Другим - тщательно изучают отдельные миры, их атмосферы и потенциал для поддержания жизни.
3. Способы поиска экзопланет
Прямая визуализация экзопланет, то есть их фактические снимки, играют все очень значительную и важную роль. Однако ученые открыли основную массу планет косвенными средствами. Существуют два основных метода исследования и поиска экзопланет. Один способ опирается на колебания звезд под воздействием гравитации, другой способ – это отслеживание затмений звезды, во время пересечения ее диска экзопланетой.
Первый способ основан на фиксации отчетливых колебаний звезд под действием гравитации орбитальной планеты. Эти отклонения характеризуют массу экзопланеты. Первый метод позволил найти первые экзопланеты, в том числе 51 Pegasi b. Сейчас таким образом, с помощью измерения радиальной скорости, открыто около 700 миров.
Но большинство экзопланет найдено методом транзита (пересечения), который основан на улавливании невероятно крошечного падения светимости звезды при пересечении ее диска планетой. Такая стратегия поиска указывает на размер объекта. Космический телескоп NASA «Kepler», запущенный в 2009 году, нашел около 2700 подтвержденных экзопланет таким образом. Он и по сей день открывает новые миры, но, к сожалению, его охота вскоре закончится, поскольку топливо на исходе.
У каждого метода есть свои плюсы и минусы. Измерение радиальной скорости показывает массу планеты, но не дает информацию о ее диаметре. Транзитный метод говорит о размере внесолнечного мира, но не позволяет определить массу.
Но, когда несколько методов используются вместе, мы можем получить важные данные о планетной системе без прямой визуализации. Лучшим примером является система TRAPPIST-1, расположенная примерно в 40 световых годах от нас, в которой семь планет размером с Землю вращаются вокруг небольшого красного карлика. Семейство TRAPPIST-1 было изучено наземными и космическими телескопами. Исследования показали не только диаметры семи плотно упакованных планет, но и их тонкое гравитационное взаимодействие друг на друга. Теперь мы знаем их массы и диаметры, можем оценить температуру на поверхности. И хотя пока многое неизвестно об этих семи планетах, в том числе покрыты ли они океанами или коркой льда, TRAPPIST-1 стала самой изученной звездной системой, кроме нашей собственной.
4. Что дальше?
Сейчас изучением и поиском экзопланет занимается новое поколение космических телескопов. Прежде всего это TESS, который был запущен в 2018 году. Этот современный инструмент изучает близкие яркие звезды в поисках транзитных планет. Космический телескоп TESS называют «охотником за планетами». Его разработали специально для поиска планет размером с Землю, вращающихся вокруг близлежащих звезд. Последняя новость начала января 2020 года, говорит об обнаружении телескопом TESS планеты TOI 700 d, которая расположена на расстоянии чуть более 100 световых лет от Земли в южном созвездии Дорадо. Обнаруженная экзопланета примерно на 20% больше нашей планеты и вращается вокруг красного карлика – маленькой, относительно холодной звезды – за 37 дней. Отмечается, что за 11 месяцев наблюдений, на звезде не обнаружили вспышек, а это повышает шансы планеты быть обитаемой. Экзопланета TOI 700 d получает от звезды 86% энергии, если сравнить с той, которую Солнце дает Земле. В дальнейшем TESS позволит выбрать планеты для их пристального исследования космическим телескоп «James Webb», который отправится в космос в 2020 году. Преемник «Hubble» с его огромным зеркалом будет собирать свет непосредственно от самих планет, которые затем можно будет разложить на спектр, своего рода штрих-код, показывающий, какие газы присутствуют в атмосфере экзопланеты.
Основными целями телескопа станут «суперземли».
Сегодня об этом классе внесолнечных миров мало что известно, в том числе пригодны ли они для жизни. Причина этому – отсутствие аналогов суперземли в Солнечной системе. Если нам повезет, одна из них покажет в своей атмосфере признаки кислорода, углекислого газа и метана. Однако охоту за атмосферами планет размером с Землю придется отложить до будущего поколения космических телескопов в 2030-х годах.
Благодаря телескопу «Kepler» теперь мы знаем, что звезды над нами окружены планетами. И мы можем быть уверены не только в огромном множестве экзопланетных соседей, но и в том, что приключение только начинается.
5. Уравнение Дрейка
Итак, вопрос существования во Вселенной инопланетных разумных цивилизаций – ОТКРЫТ. Как нам посчитать, рассчитать и понять, где и когда нам встретиться «разумный инопланетянин»?
Начать стоит с того, что существует особый проект под общим названием «SETI» (аббревиатура от Search for Extraterrestrial Intelligence). В него входят различные проекты и мероприятия, направленные на поиск внеземных цивилизаций и вступление в контакт с ними. Проект существует уже более полувека с 1959 года. В этот год провёл свой первый эксперимент американский астроном Фрэнк Дрейк. Поиски «SETI» основаны на прослушивании радиоволн, которые могут посылать другие цивилизации из глубин космоса. Сам Дрейк тогда считал, что если цивилизация посылает радиоволны, то это показатель высокотехнологического общества, а также наиболее приемлемый и разумный способ поиска внеземных форм жизни. Вероятность обнаружения любого сигнала на расстоянии свыше 500 световых лет практически равна нулю, т.е. 500 световых лет – это тот предел, в радиусе которого можно вообще найти какой-либо радиосигнал. Из этого следует, что так называемое «Великое безмолвие», которое постоянно обнаруживают радиотелескопы, ещё не говорит о том, что иная жизнь во Вселенной не является возможной. И более высокие шансы "услышать других" могут появиться, если земные «приёмники» смогут увеличить диапазон принятия сигнала ещё хотя бы на 900 световых лет. Я считаю, что заниматься поисками внеземного разума лишь посредством прослушивания радиоволн ошибочно. Благодаря развитию астробиологии и космологии, восприятие человеком космоса и путей развития иных форм жизни сильно изменилось.
В середине прошлого века человечество имело на эту тему ещё меньше данных. Однако уже в то время, когда советский космонавт Юрий Гагарин стал первым из людей, побывавших на орбите Земли (1961 год), Фрэнк Дрейк разработал своё уравнение, позволяющее приблизительно оценить количество возможных инопланетных цивилизаций в нашей галактике, называемой «Млечный путь». Это уравнение основывается на методах обнаружения электромагнитных импульсов.
Уравнение Дрейка формулируется следующим образом:
N = R * Fp * Ne * Fl * Fi * Fc * L, где:
N – число разумных цивилизаций, которые готовы к вступлению в контакт
R – число звёзд, появляющихся в течение года в галактике «Млечный путь»
Fp – процент звёзд, которые имеют планеты на своих орбитах
Ne – среднее число планет и их спутников, условия которых подходят для зарождения жизни
Fl – вероятность появления жизни на подходящей для этого планете
Fi – вероятность появления разумных форм жизни на планетах, где вообще возможна жизнь
Fc – соотношение количества планет, на которых разумные формы жизни способны на контакт и ищут его, к числу планет, на которых вообще есть разумные формы жизни
L – время, в течение которого разумная жизнь существует, может вступить в контакт и хочет этого.
Рассматривая уравнение Дрейка, можно заметить, что значение N не может быть точно определено. К тому же, если рассматривать переменные в уравнении слева направо, оценки всех величин становятся всё более абстрактными. Однако это уравнение не должно оцениваться лишь числами. Некоторые исследователи убеждены, что данная формула есть лишь способ некоторой организации человеческого невежества. И если рассматривать гипотезу существования внеземного разума с сугубо математической точки зрения, то возможность получить ответ на вопрос о количестве инопланетных цивилизаций существенно ограничивается. Величина L является наиболее важной во всём уравнении. Человек не может знать, сколько способна просуществовать технологически развитая цивилизация. И даже если предположить, что инопланетная цивилизация всего одна, и существует на протяжении миллиардов лет или вообще вечность, то этого будет достаточно, чтобы приравнять в уравнении N и L.
Я думаю, что еще одним слабым местом формулы является количество планет, на которых могут развиваться разумные формы жизни. Предполагают, что их количество должно быть в пределах 10 тысяч в нашей Галактике, но установить это максимально точно - сложно. Помимо прочего, в уравнении Дрейка не берутся во внимание и такие показатели, как возраст самой галактики и химико-механические параметры, например наличие определённых элементов, необходимых для формирования планет и зарождения жизни. В формуле присутствует величина приблизительного числа планет типа Земли, но не приведены оценки того, когда на этих планетах появляются разумные формы жизни. Огромный возраст нашей галактики и вероятность того, что разумная жизнь на её планетах могла присутствовать и 2 и 4,5 миллиарда лет назад, но уже могла угаснуть, не дают практически никакого пространства для обнаружения радиоволн.
Но, несмотря на неточности, уравнение Дрейка очень сильно повлияло на мышление людей. Главным образом, оно послужило отправной точкой для возникновения астробиологической науки. Выдающийся американский астрофизик Карл Саган высоко оценил то, что уравнение показало высокий процент обнаружения разумной внеземной жизни. А не так давно, в 2010 году, итальянский астроном Клаудио Макконе опубликовал свою версию уравнения Дрейка – статистическое уравнение Дрейка. Оно является более сложным, но и более надёжным. С помощью новой формулы, Макконе смог определить, что только в пределах Млечного пути может существовать 4 590 внеземных цивилизаций. Кроме этого, новая формула показала, что помимо человеческой цивилизации может быть ещё до 15 785 других, обладающих высокими технологиями.
6. Выводы
Изучив данные об известных на сегодняшний день экзопланетах, я пришел к выводам.
1. Встретить инопланетянина мне в своей жизни, точно не удастся.
2. Искать новые планеты пригодные для жизни - это увлекательное и важное занятие для человечества.
3. Знания полученные при изучении космоса, дают более глубокие познания земных процессов, и наоборот.
4. Я продолжу обучение, образование и получение новых знаний. В дальнейшем направлю свои познания в новые исследования Вселенной. Но даже если результаты исследования окажутся неутешительными, терять надежду рано: 90% звездного неба еще не изучены, и самые интересные экзопланеты еще ждут своих первооткрывателей.
7. Списокисточников
1. www.nasa.gov NASA «Planet Hunter Finds its 1st Earth-size Habitable-zone World (Jan. 7, 2020)»
2. www.4brain.ru Проект 4BRAIN. БЛОГ
3. www.roscosmos.ru сайт Госкорпорации РОСКОСМОС. Новости
4. www.рopmech.ru Научно-популярный сайт «Популярная механика»
5. www.ru.wikipedia.org/wiki/TESS Википедия, Свободная энциклопедия
6. www.in-space.ru Проект inSpace.RU
7. «Популярная механика» журнал, различные материалы №№ 1-12 2019г.