¿Cómo buscan planetas en la zona habitable, qué condiciones son necesarias para la formación de vida y qué es interesante sobre el descubrimiento del exoplaneta Proxima b
La zona habitable, que en inglés se denomina zona habitable, es un área en el espacio con las condiciones más favorables para la vida del tipo terrestre. El término hábitat significa que se cumplen casi todas las condiciones para la vida, simplemente no lo vemos. La idoneidad para la vida está determinada por los siguientes factores: la presencia de agua en forma líquida, una atmósfera suficientemente densa, la diversidad química (moléculas simples y complejas basadas en H, C, N, O, S y P) y la presencia de una estrella que aporta la cantidad de energía requerida.
Historia de estudio: planetas terrestres
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Desde el punto de vista de la astrofísica, hubo varios estímulos para el surgimiento del concepto de zona habitable. Considere nuestro sistema solar y cuatro planetas terrestres: Mercurio, Venus, Tierra y Marte. Mercurio no tiene atmósfera y está demasiado cerca del Sol, por lo que no es muy interesante para nosotros. Este es un planeta con un destino triste, porque aunque tuviera atmósfera, sería arrastrado por el viento solar, es decir, una corriente de plasma que fluye continuamente desde la corona de la estrella.
Considere el resto de los planetas terrestres del sistema solar: estos son Venus, la Tierra y Marte. Surgieron prácticamente en el mismo lugar y en las mismas condiciones hace unos 4.500 millones de años. Y por tanto, desde el punto de vista de la astrofísica, su evolución debería ser bastante similar. Ahora, al comienzo de la era espacial, cuando hemos avanzado en el estudio de estos planetas utilizando naves espaciales, los resultados obtenidos mostraron condiciones extremadamente diferentes en estos planetas. Ahora sabemos que Venus tiene una presión muy alta y está muy caliente en la superficie, 460-480 ° C; estas son temperaturas a las que muchas sustancias incluso se derriten. Y desde las primeras panorámicas de la superficie, vimos que es completamente inanimada y prácticamente no adaptada a la vida. Toda la superficie es un continente.
Planetas terrestres: Mercurio, Venus, Tierra, Marte
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Por otro lado, Marte. Es un mundo frio. Marte ha perdido su atmósfera. Esta es nuevamente una superficie desértica, aunque hay montañas y volcanes. La atmósfera de dióxido de carbono es muy fina; si el agua estaba allí, entonces estaba todo congelado. Marte tiene un casquete polar y los resultados recientes de una misión a Marte sugieren que existe hielo debajo de la capa arenosa: el regolito.
Y la Tierra. Temperatura muy favorable, el agua no se congela (al menos no en todas partes). Y fue en la Tierra donde surgió la vida, tanto primitiva como multicelular, vida inteligente. Parecería que vemos una pequeña parte del sistema solar, en la que se formaron tres planetas, llamados planetas terrestres, pero su evolución es completamente diferente. Y sobre estas primeras ideas sobre los posibles caminos de evolución de los propios planetas, surgió la idea de la zona habitable.
Límites de zonas habitables
Los astrofísicos observan y estudian el mundo que nos rodea, el espacio exterior que nos rodea, es decir, nuestro sistema solar y los sistemas planetarios de otras estrellas. Y para sistematizar de alguna manera, dónde mirar, qué objetos interesar, debe comprender cómo determinar la zona habitable. Siempre hemos creído que otras estrellas deberían tener planetas, pero el poder instrumental nos permitió descubrir los primeros exoplanetas, planetas ubicados fuera del sistema solar, hace solo 20 años.
¿Cómo se determinan los límites internos y externos de la zona habitable? Se cree que en nuestro sistema solar, la zona habitable se encuentra a una distancia de 0,95 a 1,37 unidades astronómicas del Sol. Sabemos que la Tierra está a 1 unidad astronómica (AU) del Sol, Venus está a 0,7 AU. e., Marte - 1,5 a. e. Si conocemos la luminosidad de una estrella, entonces es muy fácil calcular el centro de la zona habitable; solo necesita sacar la raíz cuadrada de la relación de la luminosidad de esta estrella y referirse a la luminosidad del Sol, es decir:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Aquí Rae es el radio promedio de la zona habitable en unidades astronómicas, y Lstar y Lsun son las luminosidades bolométricas de la estrella buscada y el Sol, respectivamente. Los límites de la zona habitable se establecen en función del requisito de presencia de agua líquida en los planetas ubicados en ella, ya que es un disolvente necesario en muchas reacciones biomecánicas. Más allá del límite exterior de la zona habitable, el planeta no recibe suficiente radiación solar para compensar las pérdidas por radiación y su temperatura caerá por debajo del punto de congelación del agua. Un planeta ubicado más cerca de la estrella que el límite interno de la zona habitable se calentará excesivamente por su radiación, como resultado de lo cual el agua se evaporará.
Más estrictamente, el límite interno está determinado tanto por la distancia del planeta a la estrella como por la composición de su atmósfera, y en particular por la presencia de los llamados gases de efecto invernadero: vapor de agua, dióxido de carbono, metano, amoníaco y otros. Como saben, los gases de efecto invernadero provocan el calentamiento de la atmósfera, que en caso de un efecto invernadero de crecimiento catastrófico (por ejemplo, Venus temprano) conduce a la evaporación del agua de la superficie del planeta y la pérdida de la atmósfera.
La frontera exterior ya es el otro lado del problema. Puede estar mucho más lejos cuando hay poca energía del Sol y la presencia de gases de efecto invernadero en la atmósfera de Marte no es suficiente para que el efecto invernadero cree un clima templado. Tan pronto como la cantidad de energía se vuelve insuficiente, los gases de efecto invernadero (vapor de agua, metano, etc.) de la atmósfera se condensan, caen en forma de lluvia o nieve, etc. Y los gases de efecto invernadero reales se han acumulado bajo el casquete polar en Marte.
Es muy importante decir una palabra sobre la zona habitable para las estrellas fuera de nuestro sistema solar: el potencial es una zona de habitabilidad potencial, es decir, se cumplen en ella condiciones que son necesarias, pero no suficientes para la formación de vida. Aquí tenemos que hablar de la viabilidad del planeta, cuando entran en juego una serie de fenómenos y procesos geofísicos y bioquímicos, como el campo magnético del planeta, la tectónica de placas, la duración de los días planetarios, etc. Los fenómenos y procesos enumerados ahora se están estudiando activamente en una nueva dirección de la investigación astronómica: la astrobiología.
Búsqueda de planetas en la zona habitable
Los astrofísicos simplemente buscan planetas y luego determinan si están en la zona habitable. A partir de observaciones astronómicas, puede ver dónde se encuentra este planeta, dónde está su órbita. Si está en la zona habitable, inmediatamente aumenta el interés en este planeta. A continuación, es necesario estudiar este planeta en otros aspectos: atmósfera, diversidad química, presencia de agua y fuente de calor. Esto ya nos saca ligeramente de los corchetes del concepto de "potencial". Pero el principal problema es que todas estas estrellas están muy lejos.
Una cosa es ver un planeta cerca de una estrella como el Sol. Hay una serie de exoplanetas similares a nuestra Tierra, los llamados sub y super-Tierras, es decir, planetas con radios cercanos o ligeramente superiores al radio de la Tierra. Los astrofísicos los estudian estudiando la atmósfera, no vemos superficies, solo en casos aislados, las llamadas imágenes directas, cuando solo vemos un punto muy distante. Por tanto, debemos estudiar si este planeta tiene atmósfera y, de ser así, cuál es su composición, qué gases hay, etc.
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Exoplaneta (punto rojo a la izquierda) y enana marrón 2M1207b (centro). Primera imagen tomada con tecnología de imagen directa en 2004
ESO / VLT
En un sentido amplio, la búsqueda de vida fuera del sistema solar, y en el sistema solar, es la búsqueda de los llamados biomarcadores. Se cree que los biomarcadores son compuestos químicos de origen biológico. Sabemos que el principal biomarcador en la Tierra, por ejemplo, es la presencia de oxígeno en la atmósfera. Sabemos que había muy poco oxígeno en la Tierra primitiva. La vida primitiva más simple surgió temprano, la vida multicelular surgió bastante tarde, por no mencionar la inteligente. Pero luego, debido a la fotosíntesis, comenzó a formarse oxígeno, la atmósfera cambió. Y este es uno de los posibles biomarcadores. Ahora, por otras teorías, sabemos que hay varios planetas con atmósferas de oxígeno, pero la formación de oxígeno molecular allí no es causada por procesos biológicos, sino por procesos físicos ordinarios.digamos la descomposición del vapor de agua bajo la influencia de la radiación ultravioleta estelar. Por tanto, todo el entusiasmo de que, en cuanto veamos oxígeno molecular, será un biomarcador, no está del todo justificado.
Misión "Kepler"
El Telescopio Espacial Kepler (CT) es una de las misiones astronómicas más exitosas (por supuesto, después del Telescopio Espacial Hubble). Tiene como objetivo encontrar planetas. Gracias al Kepler CT, hemos dado un salto cualitativo en la investigación de exoplanetas.
El Kepler CT se centró en una forma de descubrimiento: los llamados tránsitos, cuando un fotómetro, el único instrumento a bordo del satélite, rastreó el cambio en el brillo de una estrella en el momento en que el planeta pasaba entre ella y el telescopio. Esto dio información sobre la órbita del planeta, su masa, régimen de temperatura. Y esto hizo posible identificar alrededor de 4500 candidatos planetarios potenciales durante la primera parte de esta misión.
Telescopio espacial "Kepler"
NASA
En astrofísica, astronomía y, probablemente, en todas las ciencias naturales, se acostumbra confirmar los descubrimientos. El fotómetro registra que el brillo de la estrella cambia, pero ¿qué puede significar esto? Quizás la estrella tenga algún tipo de procesos internos que conduzcan a cambios; los planetas pasan - se oscurece. Por lo tanto, es necesario observar la frecuencia de los cambios. Pero para decir con certeza que hay planetas allí, es necesario confirmar esto de alguna manera, por ejemplo, cambiando la velocidad radial de la estrella. Es decir, ahora hay alrededor de 3600 planetas; estos son planetas confirmados por varios métodos de observación. Y hay casi 5,000 candidatos potenciales.
Proxima Centauri
En agosto de 2016, se recibió la confirmación de la presencia de un planeta llamado Proxima b cerca de la estrella Proxima Centauri. ¿Por qué es tan interesante para todos? Por una razón muy simple: es la estrella más cercana a nuestro Sol a una distancia de 4,2 años luz (es decir, la luz cubre esta distancia en 4,2 años). Este es el exoplaneta más cercano a nosotros y, posiblemente, el cuerpo celeste más cercano al sistema solar, en el que puede existir vida. Las primeras mediciones se tomaron en 2012, pero dado que esta estrella es una enana roja fría, se tuvo que tomar una serie muy larga de mediciones. Y varios equipos científicos del Observatorio Europeo Austral (ESO) han observado la estrella durante varios años. Hicieron un sitio web llamado Pale Red Dot (palereddot.org - ed.), Es decir, un 'punto rojo pálido', y publicaron observaciones allí. Los astrónomos atrajeron a diferentes observadores y fue posible rastrear los resultados de las observaciones en el dominio público. Entonces, fue posible seguir el proceso mismo del descubrimiento de este planeta casi en línea. Y el nombre del programa de observación y el sitio web se remonta al término Pale Red Dot acuñado por el renombrado científico estadounidense Carl Sagan para las imágenes del planeta Tierra transmitidas por naves espaciales desde las profundidades del sistema solar. Cuando intentamos encontrar un planeta como la Tierra en otros sistemas estelares, podemos intentar imaginar cómo se ve nuestro planeta desde las profundidades del espacio. Este proyecto se denominó Pale Blue Dot ('punto azul pálido'), porque desde el espacio, debido a la luminosidad de la atmósfera, nuestro planeta es visible como un punto azul.fue posible seguir el proceso mismo del descubrimiento de este planeta casi en línea. Y el nombre del programa de observación y el sitio web se remonta al término Pale Red Dot acuñado por el renombrado científico estadounidense Carl Sagan para las imágenes del planeta Tierra transmitidas por naves espaciales desde las profundidades del sistema solar. Cuando intentamos encontrar un planeta como la Tierra en otros sistemas estelares, podemos intentar imaginar cómo se ve nuestro planeta desde las profundidades del espacio. Este proyecto se denominó Pale Blue Dot ('punto azul pálido'), porque desde el espacio, debido a la luminosidad de la atmósfera, nuestro planeta es visible como un punto azul.fue posible seguir el proceso mismo del descubrimiento de este planeta casi en línea. Y el nombre del programa de observación y el sitio web se remonta al término Pale Red Dot acuñado por el renombrado científico estadounidense Carl Sagan para las imágenes del planeta Tierra transmitidas por naves espaciales desde las profundidades del sistema solar. Cuando intentamos encontrar un planeta como la Tierra en otros sistemas estelares, podemos intentar imaginar cómo se ve nuestro planeta desde las profundidades del espacio. Este proyecto se denominó Pale Blue Dot ('punto azul pálido'), porque desde el espacio, debido a la luminosidad de la atmósfera, nuestro planeta es visible como un punto azul.propuesto por el famoso científico estadounidense Carl Sagan para imágenes del planeta Tierra, transmitidas por naves espaciales desde las profundidades del sistema solar. Cuando intentamos encontrar un planeta como la Tierra en otros sistemas estelares, podemos intentar imaginar cómo se ve nuestro planeta desde las profundidades del espacio. Este proyecto se denominó Pale Blue Dot ('punto azul pálido'), porque desde el espacio, debido a la luminosidad de la atmósfera, nuestro planeta es visible como un punto azul.propuesto por el famoso científico estadounidense Carl Sagan para imágenes del planeta Tierra, transmitidas por naves espaciales desde las profundidades del sistema solar. Cuando intentamos encontrar un planeta como la Tierra en otros sistemas estelares, podemos intentar imaginar cómo se ve nuestro planeta desde las profundidades del espacio. Este proyecto se denominó Pale Blue Dot ('punto azul pálido'), porque desde el espacio, debido a la luminosidad de la atmósfera, nuestro planeta es visible como un punto azul.
El planeta Proxima b se encontraba en la zona habitable de su estrella y relativamente cerca de la Tierra. Si nosotros, el planeta Tierra, estamos a 1 unidad astronómica de nuestra estrella, entonces este nuevo planeta está 0.05, es decir, 200 veces más cerca. Pero la estrella brilla más débilmente, hace más frío y ya a tales distancias cae en la llamada zona de captura de mareas. Cuando la Tierra capturó a la Luna y giran juntos, la misma situación está aquí. Pero al mismo tiempo, un lado del planeta se calienta y el otro se enfría.
El supuesto paisaje de Proxima Centauri b visto por el artista
ESO / M. Kornmesser
Existen tales condiciones climáticas, un sistema de vientos que intercambia calor entre la parte calentada y la parte oscura, y en los bordes de estos hemisferios puede haber condiciones bastante favorables para la vida. Pero el problema con el planeta Proxima Centauri b es que la estrella madre es una enana roja. Las enanas rojas viven bastante tiempo, pero tienen una propiedad específica: son muy activas. Hay destellos estelares, eyecciones de masa coronal, etc. Ya se han publicado bastantes artículos científicos sobre este sistema, donde, por ejemplo, dicen que, a diferencia de la Tierra, el nivel de radiación ultravioleta allí es 20-30 veces mayor. Es decir, para tener condiciones favorables en la superficie, la atmósfera debe ser lo suficientemente densa para proteger contra la radiación. Pero este es el único exoplaneta más cercano a nosotros,que se puede estudiar en detalle con la próxima generación de instrumentos astronómicos. Observa su atmósfera, mira lo que está sucediendo allí, si hay gases de efecto invernadero, cuál es el clima allí, si hay biomarcadores allí. Los astrofísicos estudiarán el planeta Proxima b, un objeto candente para la investigación.
Perspectivas
Estamos esperando varios nuevos telescopios terrestres y espaciales, nuevos instrumentos que se lanzarán. En Rusia, este será el telescopio espacial Spektr-UF. El Instituto de Astronomía de la Academia de Ciencias de Rusia está trabajando activamente en este proyecto. En 2018, se lanzará el Telescopio Espacial Americano. James Webb es la próxima generación en comparación con CT im. Hubble. Su resolución será mucho mayor, y podremos observar la composición de la atmósfera en aquellos exoplanetas de los que conocemos, resolver de alguna manera su estructura, sistema climático. Pero debemos entender que este es un instrumento astronómico común; naturalmente, habrá una competencia muy fuerte, al igual que en el CT. Hubble: alguien quiere ver la galaxia, alguien, las estrellas, alguien más, algo. Se planean varias misiones especializadas para explorar exoplanetas,por ejemplo, TESS de la NASA (Satélite de estudio de exoplanetas en tránsito). De hecho, en los próximos 10 años, podemos esperar un avance significativo en nuestro conocimiento sobre exoplanetas en general y sobre exoplanetas potencialmente habitables como la Tierra, en particular.
Valery Shematovich, Doctor en Física y Matemáticas, Jefe del Departamento de Investigación del Sistema Solar, Instituto de Astronomía, Academia de Ciencias de Rusia
