Muligheten for liv på vannplaneter

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

De fleste planetene vi kjenner til er større i masse enn Jorden, men mindre enn Saturn. Oftest er det blant dem "mini-neptunes" og "super-earths" - gjenstander som er et par ganger mer massive enn planeten vår. De siste årenes oppdagelser gir stadig flere grunner til å tro at superjordene er planeter hvis sammensetning er svært forskjellig fra vår. Dessuten viste det seg at de terrestriske planetene i andre systemer sannsynligvis vil skille seg fra jorden i mye rikere lette elementer og forbindelser, inkludert vann. Og det er en god grunn til å lure på hvor egnet de er for livet.

De nevnte forskjellene mellom eks-jorden og jorden forklares av det faktum at tre fjerdedeler av alle stjerner i universet er røde dverger, lyskilder som er mye mindre massive enn solen. Observasjoner viser at planetene rundt dem ofte befinner seg i den beboelige sonen – det vil si der de mottar omtrent samme energi fra stjernen sin som Jorden fra Solen. Dessuten er det ofte ekstremt mange planeter i den beboelige sonen til røde dverger: i "Goldilocks-beltet" til TRAPPIST-1-stjernen, for eksempel, er det tre planeter samtidig.

Og dette er veldig merkelig. Den beboelige sonen til røde dverger ligger i millioner av kilometer fra stjernen, og ikke 150-225 millioner, som i solsystemet. I mellomtiden kan det ikke dannes flere planeter på en gang i millioner av kilometer fra stjernen deres - størrelsen på dens protoplanetariske skive vil ikke tillate det. Ja, en rød dverg har det mindre enn en gul, som vår sol, men ikke hundre eller til og med femti ganger.

Situasjonen kompliseres ytterligere av det faktum at astronomer har lært å mer eller mindre nøyaktig «veie» planeter i fjerne stjerner. Og så viste det seg at hvis vi relaterer massen og størrelsen deres, viser det seg at tettheten til slike planeter er to eller til og med tre ganger mindre enn jordens. Og dette er i prinsippet umulig hvis disse planetene ble dannet i millioner av kilometer fra stjernen deres. For med et så tett arrangement burde strålingen fra armaturet bokstavelig talt skyve hoveddelen av lyselementene utover.

Akkurat dette skjedde for eksempel i solsystemet. La oss ta en titt på jorden: den ble dannet i den beboelige sonen, men vann i massen er ikke mer enn en tusendel. Hvis tettheten til en rekke verdener hos røde dverger er to til tre ganger lavere, så er vannet der ikke mindre enn 10 prosent, eller enda mer. Det vil si hundre ganger mer enn på jorden. Følgelig dannet de seg utenfor den beboelige sonen og migrerte først da dit. Det er lett for stjernestråling å frata lette elementer fra sonene til den protoplanetariske skiven nær lyskilden. Men det er mye vanskeligere å frata en ferdiglaget planet som har migrert fra den fjerne delen av den protoplanetariske skiven av lette elementer - de nedre lagene der er beskyttet av de øvre. Og vanntapet er uunngåelig ganske sakte. En typisk superjord i den beboelige sonen vil ikke kunne miste halvparten av vannet sitt, og under hele eksistensen av for eksempel solsystemet.

Så de mest massive stjernene i universet har ofte planeter der det er mye vann. Dette betyr mest sannsynlig at det er mye flere slike planeter enn slike som Jorden. Derfor ville det være greit å finne ut om det på slike steder er en mulighet for fremvekst og utvikling av komplekst liv.

Trenger mer mineraler

Og det er her de store problemene begynner. Det er ingen nære analoger av superjord med store mengder vann i solsystemet, og i mangel av eksempler tilgjengelig for observasjon, har planetforskere bokstavelig talt ingenting å starte fra. Vi må se på fasediagrammet til vannet og finne ut hvilke parametere som vil være for forskjellige lag av havplanetene.

Fasediagram over vanntilstanden. Ismodifikasjoner er indikert med romertall. Nesten all is på jorden tilhører gruppe I_h, og en veldig liten brøkdel (i den øvre atmosfæren) - til I_c… Bilde: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Det viser seg at hvis det er 540 ganger mer vann på en planet på størrelse med jorden enn her, vil den være fullstendig dekket av et hav som er mer enn hundre kilometer dypt. På bunnen av slike hav vil trykket være så stort at det vil begynne å danne is av en slik fase der, som forblir fast selv ved svært høye temperaturer, siden vannet holdes fast av det enorme trykket.

Hvis bunnen av planethavet er dekket med et tykt lag med is, vil flytende vann bli fratatt kontakt med faste silikatbergarter. Uten slik kontakt vil mineralene i den faktisk ikke ha noe sted å komme fra. Verre, karbonkretsløpet vil bli forstyrret.

La oss starte med mineraler. Uten fosfor kan ikke livet - i de formene vi kjenner - være, for uten det er det ingen nukleotider og følgelig ikke noe DNA. Det vil være vanskelig uten kalsium – for eksempel er beinene våre sammensatt av hydroksylapatitt, som ikke klarer seg uten fosfor og kalsium. Problemer med tilgjengeligheten av visse elementer oppstår noen ganger på jorden. For eksempel, i Australia og Nord-Amerika på en rekke lokaliteter var det unormalt langt fravær av vulkansk aktivitet, og i jordsmonn noen steder er det en alvorlig mangel på selen (det er en del av en av aminosyrene som er nødvendig for livet). Fra dette har kyr, sauer og geiter mangel på selen, og noen ganger fører dette til at husdyr dør (tilsetning av selenitt til husdyrfôr i USA og Canada er til og med lovregulert).

Noen forskere foreslår at bare faktoren for tilgjengeligheten av mineraler burde gjøre hav-planetene til virkelige biologiske ørkener, der liv, hvis det er, er ekstremt sjeldent. Og vi snakker rett og slett ikke om virkelig komplekse former.

Ødelagt klimaanlegg

I tillegg til mineralmangel, har teoretikere oppdaget et annet potensielt problem med planeter-hav - kanskje enda viktigere enn det første. Vi snakker om funksjonsfeil i karbonkretsløpet. På planeten vår er han hovedårsaken til eksistensen av et relativt stabilt klima. Prinsippet for karbonsyklusen er enkelt: når planeten blir for kald, bremses absorpsjonen av karbondioksid av bergartene kraftig (prosessen med slik absorpsjon fortsetter raskt bare i et varmt miljø). Samtidig går «tilførslene» av karbondioksid med vulkanutbrudd i samme tempo. Når gassbindingen avtar og tilførselen ikke avtar, stiger CO₂-konsentrasjonen naturlig. Planetene er, som du vet, i vakuumet til det interplanetære rommet, og den eneste betydelige måten for varmetap for dem er strålingen i form av infrarøde bølger. Karbondioksid absorberer slik stråling fra planetens overflate, og derfor varmes atmosfæren litt opp. Dette fordamper vanndamp fra vannoverflaten i havene, som også absorberer infrarød stråling (en annen klimagass). Som et resultat er det CO₂ som fungerer som hovedinitiatoren i prosessen med å varme opp planeten.

Det er denne mekanismen som fører til at isbreer på jorden tar slutt før eller siden. Han lar det heller ikke overopphetes: ved for høye temperaturer blir karbondioksid raskere bundet av bergarter, hvoretter de, på grunn av tektonikken til jordskorpen, gradvis synker ned i mantelen. CO-nivå₂faller og klimaet blir kjøligere.

Betydningen av denne mekanismen for planeten vår kan neppe overvurderes. Tenk deg for et sekund et sammenbrudd av et karbonklimaanlegg: la oss si at vulkaner har sluttet å bryte ut og leverer ikke lenger karbondioksid fra jordens tarmer, som en gang kom ned der med gamle kontinentalplater. Den aller første istiden vil bokstavelig talt bli evig, fordi jo mer is på planeten, jo mer solstråling reflekterer den ut i verdensrommet. Og en ny porsjon CO₂ vil ikke være i stand til å frigjøre planeten: den vil ikke ha noe sted å komme fra.

Det er akkurat slik det i teorien burde være på planetene-havene. Selv om vulkansk aktivitet til tider kan bryte gjennom skallet av eksotisk is på bunnen av planethavet, er det lite bra med det. Faktisk, på overflaten av havverdenen er det rett og slett ingen bergarter som kan binde overflødig karbondioksid. Det vil si at dens ukontrollerte akkumulering kan begynne og følgelig overoppheting av planeten.

Noe lignende - sant, uten noe planetarisk hav - skjedde på Venus. Det er heller ingen platetektonikk på denne planeten, selv om hvorfor dette skjedde egentlig ikke er kjent. Derfor setter vulkanutbrudd der, som til tider bryter gjennom skorpen, mye karbondioksid i atmosfæren, men overflaten kan ikke binde den: kontinentalplater synker ikke ned og nye reiser seg ikke opp. Derfor har overflaten til de eksisterende platene allerede bundet all CO₂, som kunne og ikke kan absorbere mer, og det er så varmt på Venus at bly alltid vil forbli en væske der. Og dette til tross for at, i følge modellering, med jordens atmosfære og karbonsyklus, ville denne planeten være en beboelig tvilling av jorden.

Finnes det liv uten klimaanlegg?

Kritikere av "terrestrisk sjåvinisme" (posisjonen om at liv bare er mulig på "kopier av jorden", planeter med strengt terrestriske forhold) stilte umiddelbart spørsmålet: hvorfor, faktisk bestemte alle at mineraler ikke ville være i stand til å bryte gjennom en lag med eksotisk is? Jo sterkere og mer ugjennomtrengelig lokket er over noe varmt, jo mer energi samler seg under det, som har en tendens til å bryte ut. Her er den samme Venus - platetektonikk ser ikke ut til å eksistere, og karbondioksid slapp ut fra dypet i slike mengder at det ikke er liv fra det i ordets bokstavelige forstand. Følgelig er det samme mulig med fjerning av mineraler oppover - faste bergarter under vulkanutbrudd faller fullstendig oppover.

Likevel gjenstår et annet problem - det "ødelagte klimaanlegget" i karbonsyklusen. Kan en havplanet være beboelig uten den?

Det er mange kropper i solsystemet hvor karbondioksid ikke i det hele tatt spiller rollen som hovedregulatoren av klimaet. Her er for eksempel Titan, en stor måne til Saturn.

Titanium. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, University of Nantes, Virginia Pasek, University of Arizona

Kroppen er ubetydelig i forhold til jordens masse. Imidlertid ble den dannet langt fra solen, og strålingen fra lyskilden "fordampet" ikke de lette elementene, inkludert nitrogen, fra den. Dette gir Titan en atmosfære av nesten rent nitrogen, den samme gassen som dominerer planeten vår. Men tettheten til nitrogenatmosfæren er fire ganger så stor som vår - med tyngdekraften er den syv ganger svakere.

Ved første øyekast på Titans klima er det en jevn følelse av at den er ekstremt stabil, selv om det ikke finnes noe "karbon" klimaanlegg i sin direkte form. Det er nok å si at temperaturforskjellen mellom polen og ekvator til Titan er bare tre grader. Hvis situasjonen var den samme på jorden, ville planeten vært mye jevnere befolket og generelt mer egnet for liv.

Dessuten har beregninger fra en rekke vitenskapelige grupper vist: med en atmosfæretetthet som er fem ganger høyere enn jordens, det vil si en fjerdedel høyere enn på Titan, er til og med drivhuseffekten av nitrogen alene nok til at temperatursvingningene faller. til nesten null. På en slik planet, dag og natt, både ved ekvator og ved polen, ville temperaturen alltid vært den samme. Jordisk liv kan bare drømme om noe slikt.

Planeter-hav når det gjelder tetthet er akkurat på nivå med Titan (1, 88 g / cm ³), og ikke jorden (5, 51 g / cm ³). La oss si at tre planeter i TRAPPIST-1 beboelig sone 40 lysår fra oss har en tetthet fra 1,71 til 2,18 g / cm³. Med andre ord, mest sannsynlig, har slike planeter mer enn tilstrekkelig tetthet av nitrogenatmosfære til å ha et stabilt klima på grunn av nitrogen alene. Karbondioksid kan ikke gjøre dem til rødglødende Venus, fordi en virkelig stor vannmasse kan binde mye karbondioksid selv uten platetektonikk (karbondioksid absorberes av vann, og jo høyere trykk, jo mer kan det inneholde det).

Dyphavsørkener

Med hypotetiske utenomjordiske bakterier og arkea ser alt ut til å være enkelt: de kan leve under svært vanskelige forhold, og for dette trenger de ikke en overflod av mange kjemiske elementer i det hele tatt. Det er vanskeligere med planter og et svært organisert liv som lever på deres bekostning.

Så, havplaneter kan ha et stabilt klima - høyst sannsynlig mer stabilt enn jorden har. Det er også mulig at det er en merkbar mengde mineraler oppløst i vann. Og likevel, livet der er ikke i det hele tatt fastelavn.

La oss ta en titt på jorden. Bortsett fra de siste millioner av år, er landet ekstremt grønt, nesten blottet for brune eller gule flekker av ørkener. Men havet ser ikke grønt ut i det hele tatt, bortsett fra noen trange kystsoner. Hvorfor det?

Saken er at på planeten vår er havet en biologisk ørken. Livet krever karbondioksid: det "bygger" plantebiomasse og bare fra det kan animalsk biomasse mates. Hvis det er CO i luften rundt oss₂ mer enn 400 ppm slik det er nå, blomstrer vegetasjonen. Hvis det var mindre enn 150 deler per million, ville alle trær dø (og dette kan skje om en milliard år). Med mindre enn 10 deler CO₂ per million ville alle planter dø generelt, og med dem alle virkelig komplekse livsformer.

Ved første øyekast skulle dette bety at havet er en ekte vidde for livet. Faktisk inneholder jordens hav hundre ganger mer karbondioksid enn atmosfæren. Derfor bør det være mye byggemateriale til planter.

Faktisk er ingenting lenger fra sannheten. Vannet i jordens hav er 1,35 kvintillioner (milliarder milliarder) tonn, og atmosfæren er litt over fem kvadrillioner (millioner milliarder) tonn. Det vil si at det er merkbart mindre CO i et tonn vann.₂enn et tonn luft. Vannplanter i jordens hav har nesten alltid mye mindre CO₂ til deres disposisjon enn terrestriske.

For å gjøre vondt verre, har vannplanter kun god metabolisme i varmt vann. Nemlig i den, CO₂ minst av alt fordi dens løselighet i vann avtar med økende temperatur. Derfor eksisterer alger - i sammenligning med landplanter - under forhold med konstant kolossal CO-mangel.₂.

Derfor viser forskernes forsøk på å beregne biomassen til landlevende organismer at havet, som opptar to tredjedeler av planeten, gir et ubetydelig bidrag til den totale biomassen. Hvis vi tar den totale massen av karbon - nøkkelmaterialet i den tørre massen til enhver levende skapning - innbyggerne i landet, er det lik 544 milliarder tonn. Og i kroppene til innbyggerne i hav og hav - bare seks milliarder tonn, smuler fra mesterens bord, litt mer enn en prosent.

Alt dette kan føre til den oppfatning at selv om liv på planetene-havene er mulig, vil det være veldig, veldig skjemmende. Jordens biomasse, hvis den var dekket av ett hav, alt annet likt, ville vært, målt i tørt karbon, bare 10 milliarder tonn – femti ganger mindre enn den er nå.

Men selv her er det for tidlig å sette en stopper for vannverdenene. Faktum er at allerede ved et trykk på to atmosfærer vil mengden CO₂, som kan løses opp i sjøvann, mer enn dobles (for en temperatur på 25 grader). Med atmosfærer som er fire til fem ganger tettere enn jordens - og dette er akkurat hva du kan forvente på planeter som TRAPPIST-1e, g og f - kan det være så mye karbondioksid i vannet at vannet i de lokale havene vil begynne å nærme seg jordens luft. Med andre ord, vannplanter på planeter og hav befinner seg i mye bedre forhold enn på planeten vår. Og hvor det er mer grønn biomasse, og dyr har et bedre matgrunnlag. Det vil si, i motsetning til Jorden, er planetene-havene kanskje ikke ørkener, men livets oaser.

Sargasso-planeter

Men hva skal jeg gjøre hvis havplaneten, på grunn av en misforståelse, fortsatt har jordens atmosfæretetthet? Og alt er ikke så verst her. På jorden har alger en tendens til å feste seg til bunnen, men der det ikke er betingelser for dette, viser det seg at vannplanter kan svømme.

Noen av sargassumalgene bruker luftfylte sekker (de ligner druer, derav det portugisiske ordet "sargasso" i navnet Sargassohavet) for å gi oppdrift, og i teorien lar dette deg ta CO₂ fra luft, og ikke fra vann, hvor det er lite. På grunn av oppdriften er det lettere for dem å gjøre fotosyntese. Riktignok reproduserer slike alger godt bare ved ganske høye vanntemperaturer, og derfor er de på jorden relativt gode bare noen steder, for eksempel Sargassohavet, hvor vannet er veldig varmt. Hvis havplaneten er varm nok, så er ikke selv jordens atmosfæriske tetthet et uoverkommelig hinder for marine planter. De kan godt ta CO₂ fra atmosfæren, og unngår problemene med lavt karbondioksid i varmt vann.

Sargasso-alger. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Interessant nok gir flytealger i det samme Sargassohavet opphav til et helt flytende økosystem, noe sånt som et "flytende land". Der lever krabber, og oppdriften til alger er nok til å bevege seg på overflaten som om den var land. Teoretisk sett, i rolige områder av havplaneten, kan flytende grupper av sjøplanter utvikle ganske "land" liv, selv om du ikke vil finne selve landet der.

Sjekk ditt privilegium, jordbo

Problemet med å identifisere de mest lovende stedene for søken etter liv er at vi så langt har lite data som vil tillate oss å skille ut de mest sannsynlige bærerne av liv blant kandidatplanetene. I seg selv er ikke konseptet "beboelig sone" den beste assistenten her. I den anses disse planetene som egnet for liv som mottar fra stjernen en tilstrekkelig mengde energi til å støtte væskereservoarer i det minste på en del av overflaten. I solsystemet er både Mars og Jorden i den beboelige sonen, men ved den første komplekset er livet på overflaten på en eller annen måte umerkelig.

Hovedsakelig fordi dette ikke er samme verden som Jorden, med en fundamentalt annerledes atmosfære og hydrosfære. Lineær representasjon i stil med "planethavet er jorden, men bare dekket med vann" kan føre oss inn i den samme villfarelsen som på begynnelsen av 1900-tallet eksisterte om Mars egnethet for liv. Ekte oceanider kan skille seg kraftig fra planeten vår - de har en helt annen atmosfære, forskjellige klimastabiliseringsmekanismer, og til og med forskjellige mekanismer for å forsyne marine planter med karbondioksid.

En detaljert forståelse av hvordan vannverdenene faktisk fungerer gjør at vi på forhånd kan forstå hva den beboelige sonen vil være for dem, og derved raskt nærme oss detaljerte observasjoner av slike planeter i James Webb og andre lovende store teleskoper.

Oppsummert kan man ikke annet enn å innrømme at inntil helt nylig har våre ideer om hvilke verdener som virkelig er bebodd og hvilke som ikke er det, led for mye av antroposentrisme og geosentrisme. Og, som det nå viser seg, fra "sushcentrism" - den oppfatning at hvis vi selv oppsto på land, så er det det viktigste stedet i utviklingen av livet, og ikke bare på planeten vår, men også i andre soler. Kanskje vil observasjonene fra de kommende årene ikke etterlate en stein uvendt fra dette synspunktet.