Чи слід шукати позаземне життя навколо цих зірок? Відповідь Франка Селсіса
Астрофізик Франк Селсіс, член CNRS та Бордоської лабораторії астрофізики (LAB), ділиться своєю статтею, яку він присвятив питанню того, чи слід віддавати перевагу певним типам зірок при пошуку потенційно можливих планет.
В даний час, у цьому місяці лютому 2020 року, понад 4180 екзопланет відомі людству і зафіксовані відомим сайтом Енциклопедії позасонячних планет, заснованого в 1995 році астрономом Жаном Шнайдером з Паризької обсерваторії. Нобелівська премія з фізики 2019 року навіть нагородила піонерів відкриття екзопланет навколо зірок на головній послідовності, швейцарського містера Мішеля та Дідьє Келоза .
Пошуки Грааля екзобіології ноосферою геохіміка Володимира Вернадського та геолога та палеонтолога П'єра Тейяра де Шардена, колективного духу в людському відношенні, все ще тривають: екзопланета земного типу з не лише рідкою водою поверхні, але також достовірні біопідписи в її атмосфері .
Ми вже почали аналізувати склад атмосфер певних екзопланет, але ми все ще перебуваємо в дитинстві в цьому полі, і це стосується лише тих зірок, які не є потенційними екзотерами. Нам потрібні нові інструменти, щоб піти далі, і вони знаходяться в стадії розробки. Цілями цих нових інструментів можуть бути лише планетарні системи, близькі до Сонячної системи, такі як ті, що спостерігаються у наступника супутника Кеплера: Тесс .
З нагоди відкриття світів Траппіста 1, лише за 40 світлових років від Сонця, астрофізик Франк Селсіс пояснив нам, що визначення достовірних біопідписів насправді не було очевидним і що, в кращому випадку, багато необхідна робота та критичний огляд. Він написав нову статтю щодо дебатів у науковому співтоваристві між тими, хто вважає, що спочатку потрібно шукати біосигнатури з екзопланетами, які обертаються навколо зірок сонячного типу, жовтих карликів типу G або навіть зірок трохи менш яскравих, оранжевих карликів типу K а з іншого боку, ті, хто вважає, що спочатку слід зосередитись на справі червоних карликів типу М.
Франк Селсіс дозволив Футура відновити свою статтю тут. Ось.
Франк Селсіс: Дослідження, яке, давайте будемо зрозумілі з самого початку, не дає нових результатів, нещодавно виявило значне висвітлення у ЗМІ, оскільки припускає, що певний тип зірок - карликів К - буде найбільш сприятливим господарем для дослідження планет, притулок життя.
Тож повернімось до зв’язку між зіркою-господарем та “пристосованістю” планети. Але давайте відкинемо ці терміни, які трохи важкі для проживання та зон проживання. Нас тут цікавить те, що ми будемо називати "сексуальними" планетами, тобто планетами розміру/маси та сузір'я (еквівалентним сонячному удару, але для будь-якої зірки) земними, і ми будемо досить щедрими у цьому визначенні. Нам не складе труднощів. Ми можемо бути більш спостережливими в майбутньому, коли телескопи дадуть нам можливість уважніше вивчити склад цих планет та їх атмосферу.
Приймаюча зірка критично впливає як на еволюцію своїх планет, так і на ефективність наших методів спостереження. Наприклад, зірки, масивніші за маси Сонця в 2,5 рази (Мсол), живуть менше 1 мільярда років, і оскільки їх світність різко зростає в цей період, їх можливі помірні планети залишаються такими лише набагато довший період. І ці великі, дуже яскраві зірки дуже ускладнюють нам виявлення навіть гігантських планет. Але зірки, масивніші за 2,5 мсоль, представляють лише 1% зірок у Галактиці .
Червоні, оранжеві та жовті карлики
Ми поділяємо зірки масою, меншою або рівною сонячній, на три категорії: зірки М (золь), К (0,5-0,8 Мсоль) і G (0,8-1,15 Мсоль, що, отже, включає Сонце). М зірки представляють близько 80% зірок (близько 10% для Ks і близько 7% для Gs). М або червоні карликові зірки значною мірою домінують над зоряним населенням, живуть від десятків до сотень мільярдів років, мають дуже низьку яскравість, випромінювання переважає червоне та інфрачервоне. Також навколо М-зірок наші методи виявлення екзопланет дозволяють "легше" знаходити наші відомі сексуальні планети.
Таким чином, майже всі сексуальні екзопланети, які ми знаємо, належать до зірки М. Ми поки не можемо спостерігати атмосферу цих світів, але якщо вони є, ми зможемо спробувати їх спостереження за допомогою майбутніх телескопів, зокрема наступного. Космічний телескоп Вебба. Але якщо і лише тоді, коли ці планети обертаються навколо червоних карликів. І знову ж таки, для цього нам потрібні маленькі зірки М (категорія М насправді охоплює широкий діапазон мас від 7% до 50% маси Сонця), максимально наближена до Сонця, включаючи планету або цільові планети мають гарну ідею пройти перед диском своєї зірки, побаченої із Землі, тобто, що вони проходять. Словом, дуже маленький карлик по сусідству, який підморгує вам .
Чи є? Так, вони є, бо ці червоні карлики майже завжди мають гарну ідею мати сексуальні планети. !
Наукове співтовариство розділене на дві школи. Один, частиною якого я є, дякує природі за те, що вона поставила сексуальні планети в межах досяжності наших спостережних засобів, що все ще зароджуються, і захоплений можливістю вивчення цих екзотичних світів. Тому що так, треба сказати, сексуальні планети червоних карликів неодмінно багато в чому відрізняються від Землі. Для такого любителя наукової фантастики, як я, це робить їх лише сексуальнішими, але інша частина спільноти зовсім не вважає їх сексуальними, навіть відверто негарними, і хотіла б спрямувати телескопи на більше сонячних зірок. Але чому така дискримінація? Добре ! є кілька аргументів.
Перше можна сказати таким чином: «Ми знаємо, що життя існує на ОДНІЙ сексуальній планеті, нашій, навколо зірки G, нашого Сонця; тому ми повинні зосередити наші дослідження на цих зірках ». Основна ідея полягає в тому, що якби коли-небудь умови для виникнення життя були дуже конкретними та обмежувальними, навряд чи їх можна було б зустріти навколо зірок, дуже відмінних від наших. Однак цей аргумент наводить головну проблему: Земля зобов'язана своїми характеристиками багатьом іншим факторам, крім типу своєї зірки.
Якщо ми шукаємо специфіки Сонячної системи, які неодмінно вплинули на точну природу нашої Планети, ми також повинні додати наш хороший великий Юпітер і його маленьку ексцентричну орбіту, яка відразу ж поміщає нас у значно меншу частку зірок., приблизно одна на тисячу.
Кожна планетарна система має свої особливості, у неймовірному різноманітті. Якщо ми почнемо шукати Землі з великим Місяцем навколо зірки G2V, з парою Юпітер-Сатурн, такою початковою кількістю алюмінію 26 і заліза 60 (що відіграло роль у нагріванні і, отже, у складі перших твердих речовин), і так далі, ми йдемо шукати голку в плеяді сіна.
Але які з цих характеристик зіграли на користь виникнення та підтримання життя, а які ускладнили нам життя? ?
Придатні для проживання екзопланети, незважаючи на синхронне обертання
Ідея полягає в тому, щоб сказати, що ми тут, щоб поговорити про це, і що це, за визначенням, завдяки специфіці нашої системи. Якийсь слабкий антропний принцип. Однак мені здається, що ці геліогеоцентричні припущення в будь-якому випадку доведеться стикати з спостереженнями планет, що належать до зірок, та архітектурами несонячних планетних систем. Оскільки аналоги Сонця-Землі рідше і важче спостерігати, чому б не розпочати з найбільш доступних цілей? ?
Інший аргумент переважав давно: щоб мати земну температуру, планети повинні бути дуже близько до свого червоного карлика, оскільки його світність слабка. Ця близькість призводить до спотворення цих планет внаслідок припливних взаємодій. Ця деформація сама по собі не є проблемою, але призводить до швидкої синхронізації періоду обертання з періодом обертання. Тому сексуальні планети завжди подають одне і те ж обличчя своєму червоному карликові. Ризик полягає в тому, що вода (якщо вона є) безповоротно потрапляє у вигляді льоду у постійній нічній півкулі та на полюсах. Однак кліматичні моделі показали, що цього сценарію уникають для достатньо щільної атмосфери та/або для достатньої кількості води. Ця конфігурація навіть представляє особливості, сприятливі для підтримання рідкої води, яких немає серед зірок сонячного типу. Таким чином, цей аргумент втратив значну силу.
Екзопланети, придатні для життя, незважаючи на магнітний гнів ?
Велика загроза, яку зірки з низькою масою становлять для своїх сексуальних планет, походить від їх "магнітної активності". Обертання зірок у поєднанні з їх магнітним полем породжує активність, яка проявляється випромінюванням енергетичного випромінювання (X, екстремальне УФ), а також плазми (іонів та електронів), яку називають зоряним вітром. Чим швидше обертаються зірки, тим вони активніші. На початку свого життя всі зірки швидко обертаються і дуже активні. Потім вони випромінюють тисячну частину своєї світності у вигляді рентгенівських променів, що є нашим головним показником активності. Цей важливий викид X супроводжується інтенсивним зоряним вітром, спалахами світності (спалахи, англійською мовою) та корональними викидами. Зірки в кінцевому підсумку сповільнюються, оскільки їхній зоряний вітер несе кутовий момент, і їх активність зменшується із цим уповільненням. Але зірки сонячного типу сповільнюються набагато швидше, ніж червоні карлики. Сьогодні Сонце випромінює мільйонну частину своєї світності у вигляді рентгенівських променів .
Наш сусід, червоний карлик Проксима, приблизно такого ж віку, як Сонце, випромінює менше рентгенівського випромінювання, ніж Сонце, оскільки це маленька зірка, але це становить більшу частку її загальної яскравості (понад десять тисяч). Сексуальна планета Проксима b, яка обертається навколо цієї зірки, отримує лише 60% світлового потоку, який Земля отримує від Сонця, але вона отримує в 100 разів більше рентгенівських променів, ніж Земля, і зазнає набагато сильнішого зоряного вітру.
Це також стосувалося Землі в молодості, але лише протягом кількох сотень мільйонів років, це в будь-якому випадку ми виводимо з спостереження за молодими зірками, подібними до Сонця. Це опромінення, пов’язане з діяльністю, представляє лише незначну частину енергії, депонованої зіркою на планеті, але вона поглинається у верхніх шарах атмосфери. Позитивним моментом є те, що поверхня захищена від цього шкідливого для органічних молекул випромінювання, але наслідком цього є те, що верхні шари атмосфери отримують дуже важливу енергію, ніж її низька щільність, що потенційно може призвести до ерозії атмосфери, яка виходить у космос.
Чи може активна зірка позбавити планети атмосфери ?
Це відкрите питання. Сучасні моделі не можуть описати дуже складну фізику верхніх шарів атмосфери за цих умов, і ми можемо дати лише верхні межі швидкості втрати атмосфери. Ці верхні межі показують, що загроза є серйозною, і що ми зараз повинні розробити надійні моделі для її кількісного визначення.
Ця проблема ускладнюється раннім розвитком червоних карликів. Хоча світність червоного карлика неймовірно стабільна протягом більшої частини його дуже довгого життя, він проходить тривале народження, фазу «попередньої основної послідовності», під час якої його світність зменшується до своєї стабільної величини. Для такої зірки, як Сонце, ця фаза дуже коротка і закінчується на початку формування планет, коли протопланети досить прохолодні, поховані в диску з газом і пилом. Для червоних карликів ця фаза виходить за межі фази формування. Кілька десятків мільйонів років для наймасивніших червоних карликів, до 1 мільярда років для найменших.
Це означає, що планети, які ми сьогодні вважаємо сексуальними, насправді були набагато спекотнішими в юності. Над певною інсоляцією (або сузір’ям) вода вже не може існувати у рідкому стані на поверхні планети. Тоді верхні шари атмосфери багаті водяною парою, яка дисоціює на водень і кисень під дією УФ-випромінювання, і водень, дуже світлий, виходить у космос.
Вважається, що саме таку долю спіткала Венера. Трохи води, яка залишається в атмосфері Венери, дуже багата дейтерієм (важчим за водень), що трактується як результат цієї втрати водню. Залишковий кисень реагував би з корою. Якби сьогодні ми знизили освітленість Сонця, щоб зменшити інсоляцію Венери і зробити її сексуальною планетою, вона, безумовно, сильно відрізнялася б від Землі, дуже бідної на воду (хіба що в мантії було б багато). Сексуальні планети зірок з дуже низькою масою переживають подібний сценарій. Якщо вони проводять набагато менше 4,5 мільярда років у цьому екстремальному "венеріанському" кліматичному режимі, ніхто не знає, чи їхній потенціал утримувати воду і життя не залишив пір'я.
Однак ми ігноруємо ключовий параметр: вміст газу, "типовий" для планет. Земля - сексуальна планета, багата чи бідна на воду, азот, вуглець? В даний час це одне з найбільших питань у планетології. Наземні океани представляють 0,06% маси Землі. Теоретично ми могли б сформувати планети, що містять набагато більше: 1%, 10%, 50%. Коротше кажучи, деякі планети можуть собі дозволити втратити велику кількість води. Але ця ерозія водосховища викликає інші питання, чи не може накопичення кисню, пов’язане з втратою водню з води, бути шкідливим для хімії пребіотиків, яка може призвести до живих організмів? ?
Одним словом, червоні карлики можуть здатися нам дуже непривітними для нас, дітей жовтого сонця. Це спонукає деяких астрофізиків запропонувати K-зірки як головні мішені для дослідження та вивчення сексуальних планет та їх атмосфери, а чому б і не через кілька десятиліть, ознак життя. На їх думку, ці помаранчеві карлики були б ідеальним компромісом: цілі менш важкі, ніж наш сонячний стандарт, і менш екзотичні та активні, ніж червоні карлики, які їх так лякають.
Моя точка зору полягає в тому, що ми перебуваємо в дуже первісній фазі розвідки. Всі свої знання про земні планети та їх атмосферу ми базуємо на вивченні Венери, Землі та Марса (давай, додам Титан). Мізерний зразок, народжений від тієї самої зірки, і який представляє нам лише обличчя 4,5 мільярда років. Можна вивчити планети навколо ВСІХ типів зірок. Почнемо з найбільш доступних планет навколо зірок М, розробляючи інструменти для переходу до зірок К. Тоді G. Якщо коли-небудь планети навколо червоних карликів виявляться зовсім не сексуальними, нам це потрібно. Знайте, бо вони на сьогоднішній день найчисленніша, і вони утворюють деякі телуричні планети.
Один з них, майже те, що зроблено меншим і червонішим, як зірка, представляє нам процесію із семи телуричних планет. Траппіст 1 та його сім світів стануть неперевершеними цілями для майбутнього космічного телескопа Джеймса-Вебба. Не цурайтесь їх, бо вони не мають блиску і спокою нашої матері-зірки.