Wykapana Ziemia
Planeta jest częścią układu TOI 700 (TOI to skrót od TESS Objects of Interest) - małej, stosunkowo chłodnej gwiazdy, czyli karła o typie widmowym M, w konstelacji Złota Ryba, który ma tylko ok. 40% masy i wielkości naszego Słońca oraz połowę jego temperatury powierzchniowej.
Obiekt nosi nazwę TOI 700 d i jest jedną z trzech planet orbitujących wokół swojego centrum, najbardziej od niego oddaloną, co 37 dni pokonującą drogę wokół gwiazdy. Znajduje się w takiej odległości od TOI 700, aby teoretycznie móc utrzymać na powierzchni wodę w stanie ciekłym, lokując się w strefie zdatnej do zamieszkania. Otrzymuje ok. 86% wartości energii, którą nasze Słońce dostarcza Ziemi.
Symulacje środowiskowe stworzone przez badaczy wykorzystujących dane sondy TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ujawniły jednak, że TOI 700 d może zachowywać się zupełnie inaczej niż Ziemia. Ponieważ jest zsynchronizowany obrotem ze swoją gwiazdą (co oznacza, że jedna strona planety pozostaje zawsze w świetle dnia, a druga w mroku), sposób w jaki tworzą się tam chmury i wieje wiatr, może być dla nas cokolwiek egzotyczny.
Astronomowie potwierdzili swoje odkrycie, wykorzystując należący do NASA Kosmiczny Teleskop Spitzera, kończący właśnie działalność. Początkowo gwiazda TOI 700 była niewłaściwie sklasyfikowana jako o wiele gorętsza, co skłaniało astronomów do poglądu, że wszystkie trzy planety krążą wokół niej zbyt blisko i są przez to zbyt gorące, by podtrzymywać życie.
- Kiedy poprawiliśmy parametry gwiazdy, rozmiary jej planet spadły i zdaliśmy sobie sprawę, że najbardziej zewnętrzna z nich jest mniej więcej takiej samej wielkości jak Ziemia, krążąc w strefie życia - powiedziała podczas prezentacji odkrycia Emily Gilbert, członkini zespołu z Uniwersytetu w Chicago. - Dodatkowo, w ciągu jedenastu miesięcy od uzyskania danych nie widzieliśmy żadnych rozbłysków pochodzących od gwiazdy, co zwiększa szanse, że TOI 700 d nadaje się do zamieszkania, ułatwiając modelowanie jej warunków atmosferycznych i powierzchniowych.
Badacze mają nadzieję, że w przyszłości instrumenty takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, którego umieszczenie w przestrzeni kosmicznej NASA planuje na rok 2021, będą w stanie określić, czy planety mają atmosferę, i dadzą radę zbadać jej skład.
Naukowcy wykorzystali oprogramowanie komputerowe do modelowania hipotetycznego klimatu planety TOI 700 d. Ponieważ nie wiadomo jeszcze, jakie gazy mogą znajdować się w jej atmosferze, testowano różne warianty i scenariusze, w tym opcje zakładające: współczesną atmosferę ziemską (77% azotu, 21% tlenu, metan i dwutlenek węgla), prawdopodobny skład ziemskiej atmosfery sprzed 2,7 miliarda lat (głównie metan i dwutlenek węgla), a nawet atmosferę marsjańską (dużo dwutlenku węgla), jaka prawdopodobnie istniała tam 3,5 miliarda lat temu.
Na podstawie tych modeli stwierdzono, że jeśli atmosfera TOI 700 d zawiera kombinację metanu, dwutlenku węgla lub pary wodnej, planeta może nadawać się do zamieszkania. Teraz zespół musi potwierdzić te hipotezy za pomocą wspomnianego teleskopu Webba.
Przeprowadzone przez NASA symulacje klimatyczne sugerują jednocześnie, że zarówno atmosfera podobna do ziemskiej, jak i ciśnienie gazu nie są wystarczające do utrzymania na jej powierzchni ciekłej wody. Gdybyśmy umieścili na TOI 700 d tę samą ilość gazów cieplarnianych, jaką mamy na Ziemi, temperatura na powierzchni nadal byłaby poniżej zera.
Modelowanie wykonane przez wszystkie zaangażowane zespoły wskazuje, że klimat planet wokół małych i ciemnych gwiazd takich jak TOI 700 jest jednak bardzo różny od tego, co spotykamy na naszej Ziemi.
Ciekawe nowości
Większość tego, co wiemy o egzoplanetach, czyli planetach krążących poza Układem Słonecznym, pochodzi z Kosmicznego Teleskopu Keplera. Skanował on niebo od 2009 do 2018 r. i znalazł ponad 2600 planet poza naszym Układem Słonecznym.
NASA przekazała następnie pałeczkę odkrywcy sondzie TESS (2), która wystartowała w kosmos w kwietniu 2018 r. W pierwszym roku swojej działalności znalazła ponad dwadzieścia egzoplanet krążących wokół gwiazd, a także dziewięćset niepotwierdzonych obiektów tego rodzaju. W poszukiwaniu planet nieznanych astronomom obserwatorium będzie przeczesywać całe niebo, przyglądając się 200 tys. najjaśniejszych gwiazd.
TESS wykorzystuje szeregowy układ kamer szerokokątnych. Jest w stanie badać masę, wielkość, gęstość i orbitę dużego zgrupowania małych planet. Satelita działa metodą teledetekcyjnego poszukiwania spadków jasności potencjalnie wskazujących na tranzyty planetarne - przejścia orbitujących obiektów przed tarczami ich gwiazd macierzystych.
Ostatnie kilkanaście miesięcy to seria niezwykle ciekawych odkryć, dokonanych po części dzięki temu wciąż stosunkowo nowemu obserwatorium kosmicznemu, a po części za pomocą innych instrumentów, w tym naziemnych. Kilka tygodni przed natrafieniem na wspomnianą bliźniaczkę Ziemi pojawiła się informacja o detekcji planety krążącej wokół dwóch słońc, zupełnie jak Tatooine z "Gwiezdnych wojen"!
Planetę TOI 1338 b znaleziono tysiąc trzysta lat świetlnych od nas, w gwiazdozbiorze Malarza. Jej wielkość mieści się w granicach między rozmiarami Neptuna i Saturna. Obiekt doświadcza regularnych wzajemnych zaćmień swoich gwiazd. Wirują one wokoło siebie na orbicie w cyklu piętnastodniowym, jedna nieco większa od naszego Słońca, a druga znacznie mniejsza.
W czerwcu 2019 r. pojawiła się informacja, że znaleziono dwie podobne do Ziemi planety dosłownie na naszym kosmicznym podwórku. Mówił o tym artykuł opublikowany w czasopiśmie "Astronomy and Astrophysics". Oba obiekty znajdują się w idealnej strefie, w której może powstawać woda. Mają prawdopodobnie skaliste powierzchnie, a orbitują wokół słońca znanego jako Gwiazda Teegardena (3), położonego zaledwie 12,5 roku świetlnego od Ziemi.
- Przypominają wewnętrzne planety naszego Układu Słonecznego - oświadczył główny autor odkrycia, Mathias Zechmeister, badacz w Instytucie Astrofizyki Uniwersytetu w Getyndze, w Niemczech. - Są tylko nieznacznie cięższe od Ziemi i znajdują się w tzw. strefie mieszkalnej, w której może występować woda w postaci ciekłej. Nowo odnalezione światy krążą na orbicie swojej gwiazdy macierzystej w okresach odpowiednio około pięciu i jedenastu dni. To bardzo szybko w porównaniu do planet poruszających się wokół naszego własnego Słońca (nawet Merkury potrzebuje 88 dni na jeden obrót), ale Gwiazda Teegardena jest karłem typu M o niskiej jasności.
Z kolei intrygujące, nieznane światy odkryte przez TESS w lipcu ub. roku krążą na orbicie wokół gwiazdy UCAC4 191-004642, siedemdziesiąt trzy lata świetlne od Ziemi.
Układ planetarny, z gwiazdą macierzystą obecnie oznaczoną jako TOI 270, zawiera co najmniej trzy planety. Jedna z nich, TOI 270 b, jest nieco większa od Ziemi, dwie pozostałe są mini-Neptunami, należąc do klasy planet niewystępujących w naszym Układzie Słonecznym. Gwiazda jest chłodna i niezbyt jasna, ok. 40% mniejsza i mniej masywna od Słońca. Jej temperatura powierzchni jest w przybliżeniu o dwie trzecie wyższa od temperatury naszego własnego towarzysza gwiezdnego.
Układ słoneczny TOI 270 znajduje się w gwiazdozbiorze Malarza. Tworzące go planety krążą tak blisko gwiazdy, że ich orbity mogłyby zmieścić się w obrębie układu księżyców towarzyszących Jowiszowi (4).
4. Porównanie układu TOI 270 z układem JowiszaDalsze badania nad tym systemem mogłyby ujawnić dodatkowe planety. Te obracające się dalej od Słońca niż na orbicie TOI 270 d mogą być wystarczająco chłodne, aby utrzymać ciekłą wodę i ewentualnie rozwinąć życie.
TESS ma szukać bliżej
Pomimo stosunkowo dużej liczby odkryć niewielkich egzoplanet, większość ich gwiazd macierzystych znajduje się w odległości od 600 do 3 tys. lat świetlnych od Ziemi - są za daleko i pogrążone w zbyt dużej ciemności, aby móc prowadzić ich szczegółowe obserwacje.
W przeciwieństwie do Keplera, zasadniczą misją TESS jest poszukiwanie planet wokół bliższych sąsiadów Słońca, tych wystarczająco jasnych, by obserwować je teraz i później, za pomocą kolejnych instrumentów. Od kwietnia 2018 r. do chwili obecnej TESS odkryła już ponad 1500 kandydatów na planety. Większość z nich jest ponad dwukrotnie większa od Ziemi, a swoje orbity przebiega w czasie krótszym niż dziesięć dni. W rezultacie dociera do nich znacznie więcej ciepła niż w przypadku naszej planety i są zbyt gorące, aby na ich powierzchni mogła istnieć płynna woda.
To właśnie płynna woda jest niezbędna do tego, by na egzoplanecie dało się ewentualnie zamieszkać. Stanowi ona pożywkę dla substancji chemicznych, które mogą oddziaływać na siebie nawzajem.
Teoretycznie uznaje się co prawda za możliwe istnienie egzotycznych form życia w warunkach wysokiego ciśnienia lub bardzo wysokich temperatur - jak to ma miejsce w przypadku ekstremofilów znalezionych w pobliżu kominów hydrotermalnych lub mikrobów ukrytych prawie kilometr pod pokrywą lodową Antarktydy Zachodniej.
Odkrycia tego rodzaju organizmów okazały się jednak możliwe, ponieważ ludzie byli w stanie bezpośrednio badać ekstremalne środowiska, w jakich one przebywają. Nie dałoby się ich niestety wykryć w dalekim kosmosie, zwłaszcza z odległości wielu lat świetlnych.
Poszukiwania życia, a nawet warunków mieszkalnych, poza naszym Układem Słonecznym, pozostają póki co całkowicie uzależnione od zdalnych obserwacji. Zauważalne powierzchnie wody w stanie ciekłym, stwarzające warunki potencjalnie sprzyjające życiu, są w stanie oddziaływać z atmosferą powyżej, tworząc zdalnie wykrywalne biosygnatury widoczne dla ziemskich teleskopów. Mogą to być znane z Ziemi kompozycje gazów (tlen, ozon, metan, dwutlenek węgla i para wodna) lub składniki atmosfery starożytnej Ziemi sprzed np. 2,7 mld lat (głównie metan i dwutlenek węgla, ale nie tlen).
W poszukiwaniu miejsca "w sam raz" i planety tam rezydującej
Od czasu odkrycia 51 Pegasi b w 1995 r. zidentyfikowano ponad cztery tysiące egzoplanet. Dziś wiemy na pewno, że większość gwiazd w naszej Galaktyce i we Wszechświecie jest otoczonych układami planetarnymi. Ale tylko kilkadziesiąt znalezionych egzoplanet to światy potencjalnie nadające się do zasiedlenia.
Co sprawia, że egzoplaneta może nadawać się do zamieszkania?
Podstawowy warunek to wspomniana już płynna woda na powierzchni. Aby to było możliwe, potrzebna jest przede wszystkim owa stała powierzchnia, czyli skaliste podłoże, ale również atmosfera, i to wystarczająco gęsta, aby wytworzyć ciśnienie i wpłynąć na temperaturę wody.
Potrzeba również odpowiedniej gwiazdy, która nie smaga planety zbyt silnym promieniowaniem zdmuchującym atmosferę i niszczącym organizmy żywe. Każda gwiazda, także nasze Słońce, wysyła stale ogromne dawki promieniowania, dlatego bez wątpienia do istnienia życia przydałoby się chroniące przed nim pole magnetyczne, takie jakie wytwarza płynne metalowe jądro Ziemi.
Ponieważ jednak mogą istnieć również inne mechanizmy chroniące życie przed promieniowaniem, jest to tylko element pożądany, a nie warunek konieczny.
Tradycyjnie zainteresowanie astronomów budzą strefy życia (ekosfery) w układach gwiezdnych. Nazywa się tak rejony wokół gwiazd, gdzie panujące temperatury nie pozwalają, aby woda się gotowała, ani aby trwale zamarzła. O takim rejonie mówi się często "Strefa Złotowłosej", ponieważ jest "w sam raz dobra dla życia", co nawiązuje do motywów popularnej bajki dla dzieci (5).
A co wiemy do tej pory o egzoplanetach?
Z dotychczasowych odkryć wynika, że różnorodność systemów planetarnych jest bardzo, ale to bardzo duża. Jedyne planety, o których jeszcze ok. trzy dekady temu coś wiedzieliśmy, znajdowały się w Układzie Słonecznym, więc myśleliśmy, że obiekty małe i skaliste krążą w pobliżu gwiazd, a dopiero dalej od nich zarezerwowane jest miejsce dla wielkich planet gazowych.
Okazało się jednak, że "praw" dotyczących usytuowania planet w ogóle nie ma. Spotykamy gazowe olbrzymy, które niemal ocierają się o swoje gwiazdy (tzw. gorące Jowisze), a także zwarte układy stosunkowo małych planet, w rodzaju TRAPPIST-1 (6). Czasami planety wędrują po bardzo ekscentrycznych orbitach, wokół gwiazd podwójnych, a są i planety "bezpańskie", wyrzucone najprawdopodobniej z młodych układów, żeglujące sobie swobodnie w pustce międzygwiezdnej.
Zamiast bliskich podobieństw widzimy więc wielką różnorodność. Jeśli występuje ona na poziomie układów, to dlaczego warunki panujące na egzoplanetach miałyby przypominać cokolwiek, co znamy z bliskiego sąsiedztwa?
A schodząc jeszcze niżej - dlaczego formy hipotetycznego życia miałyby być podobne do tych, które znamy?
Kategoria Super
Na podstawie danych zebranych przez Keplera, w 2015 r. jeden z naukowców NASA oszacował, że w samej naszej Galaktyce znajduje się miliard planet podobnych do Ziemi. Wielu astrofizyków podkreślało, że było to oszacowanie konserwatywne. Rzeczywiście, dalsze badania wykazały, że Droga Mleczna może być siedliskiem aż 10 miliardów planet ziemskich.
Naukowcy nie chcieli polegać wyłącznie na planetach znalezionych przez Keplera. Metoda tranzytu stosowana w tym teleskopie lepiej nadaje się do wykrywania planet dużych (jak Jowisz) niż tych o rozmiarach przypominających Ziemię. Oznacza to, że dane pochodzące od Keplera prawdopodobnie nieco fałszują liczbę planet podobnych do naszej.
Słynny teleskop obserwował maleńkie spadki jasności gwiazdy, spowodowane przez przechodzącą przed nią planetę. Większe obiekty z oczywistych względów zasłaniają więcej światła swoich gwiazd, co czyni je łatwiejszymi do wykrycia. Metoda Keplera była nastawiona na małe, nie najjaśniejsze gwiazdy, liczące około jednej trzeciej masy naszego Słońca.
Teleskop Keplera, nie sprawdzając się najlepiej w poszukiwaniu małych planet, wykrył jednak całkiem sporą liczbę tzw. superziemi. Nazywa się tak egzoplanety o masie większej niż Ziemia, ale znacznie mniejszej niż Uran i Neptun, które są odpowiednio 14,5 i 17 razy cięższe od naszej planety.
Termin "superziemia" odnosi się więc tylko do masy planety, czyli nie dotyczy warunków powierzchniowych lub zdatności do zasiedlenia. Istnieje również alternatywne określenie "karły gazowe". Zdaniem niektórych, może być ono bardziej precyzyjne dla obiektów z górnego skraju skali masy, choć powszechniej używany jest jeszcze inny termin - wspominany już "mini-Neptun".
Pierwsze superziemie zostały odkryte przez Aleksandra Wolszczana i Dale’a Fraila wokół pulsara PSR B1257+12 w 1992 r. Dwie zewnętrzne planety układu - Poltergeist i Phobetor - mają masy około czterokrotnie większe od masy Ziemi, czyli zbyt małe, aby mogły być gazowymi olbrzymami.
Pierwszą superziemię wokół gwiazdy z ciągu głównego zidentyfikował zespół pod dowództwem Eugenio Rivery w 2005 r. Orbituje ona wokół Gliese 876 i otrzymała oznaczenie Gliese 876 d (wcześniej odkryto w tym układzie dwa gazowe giganty wielkości Jowisza). Jej szacunkowa masa wynosi 7,5 masy Ziemi, a okres orbitalny jest bardzo krótki i liczy ok. dwóch dni.
W klasie superziemi znajdują się jeszcze gorętsze obiekty. Choćby odkryta w 2004 r. 55 Cancri e, oddalona od nas o czterdzieści lat świetlnych, która obraca się wokół swojej gwiazdy w najkrótszym cyklu spośród wszystkich znanych egzoplanet - zaledwie 17 godzin i 40 minut. Innymi słowy, rok na 55 Cancri e trwa mniej niż 18 godzin. Egzoplaneta krąży ok. 26 razy bliżej swojej gwiazdy niż Merkury.
Bliskość gwiazdy oznacza, że powierzchnia 55 Cancri e jest jak wnętrze hutniczego pieca, o temperaturze co najmniej 1760°C! Nowe obserwacje teleskopu Spitzera pokazują, że 55 Cancri e ma masę 7,8 razy i promień niewiele ponad dwukrotnie większy od Ziemi. Wyniki pozyskane od Spitzera sugerują, że około jednej piątej masy planety muszą stanowić pierwiastki i związki lekkie, w tym woda. W tej temperaturze oznacza to, że owe substancje znajdowałyby się w stanie "nadkrytycznym", między cieczą a gazem, i mogłyby uciekać z powierzchni planety.
Superziemie nie zawsze są jednak tak "dzikie" W lipcu ubiegłego roku międzynarodowa grupa astronomów odkryła za pomocą TESS nową egzoplanetę tego rodzaju, w konstelacji Hydra, ok. trzydziestu jeden lat świetlnych od Ziemi. Obiekt oznaczony jako GJ 357 d (7) ma średnicę dwa razy, a masę sześć razy, taką jak Ziemia. Położony jest na zewnętrznym obrzeżu strefy mieszkalnej swojej gwiazdy. Naukowcy uważają, że na powierzchni tej superziemi może znajdować się woda.
- Jeśli ta planeta ma gęstą atmosferę, co mogą wyjaśnić przyszłe badania, byłaby w stanie gromadzić wystarczającą ilość ciepła, aby się rozgrzać do odpowiedniej temperatury i pozwolić na swojej powierzchni istnieć wodzie - oświadczyła Diana Kossakowski, badaczka z Instytutu Astronomii Maxa Plancka w Heidelbergu, w Niemczech.
Układ na orbicie wokół gwiazdy typu karzeł - mającej około jednej trzeciej wielkości i masy naszego własnego Słońca i o 40% chłodniejszej - uzupełniają planety ziemiopodobne, GJ 357 b i kolejna superziemia GJ 357 c. Badanie na temat układu zostało opublikowane 31 lipca 2019 r. w czasopiśmie "Astronomy & Astrophysics".
Z kolei we wrześniu ubiegłego roku badacze podali, że nowo odkryta superziemia, oddalona od nas o 111 lat świetlnych, jest "najlepszą znaną w tej chwili kandydatką do zamieszkania". Odkryta w 2015 r. przez teleskop Keplera K2-18b (8) mocno różni się od naszej rodzimej planety. Jest od jej masy ponad osiem razy większa, co oznacza, że chodzi albo o lodowatego olbrzyma jak Neptun, albo o skalisty świat z gęstą, bogatą w wodór atmosferą.
Orbita K2-18b jest siedmiokrotnie bliższa swojej gwiazdy niż odległość Ziemi od Słońca. Ponieważ jednak obiekt krąży wokół ciemnoczerwonego karła typu M, orbita ta znajduje się w strefie potencjalnie przyjaznej dla życia. Wstępne modele przewidują, że temperatura na K2-18b wynosi pomiędzy -73 a 46°C, a jeśli obiekt mniej więcej tak samo odbija światło jak Ziemia, jego temperatura średnia powinna być podobna do naszej.
- To jedyna znana nam obecnie planeta spoza Układu Słonecznego mająca odpowiednią temperaturę do podtrzymywania wody i atmosferę - powiedział podczas konferencji prasowej astronom z londyńskiego University College, Angelos Tsiaras.
Być jak Ziemia - to skomplikowane
Analogiem Ziemi (nazywanym także ziemskim bliźniakiem lub planetą podobną do Ziemi) jest planeta lub księżyc o warunkach środowiskowych podobnych do tych występujących na Ziemi.
Tysiące odkrytych do tej pory egzoplanetarnych systemów gwiezdnych różni się od naszego Układu Słonecznego, wspierając tzw. hipotezę rzadkiej Ziemi. Filozofowie zwracają jednak uwagę, że Wszechświat jest tak ogromny, iż gdzieś musi istnieć planeta prawie identyczna jak nasza. Niewykluczone, że w dalekiej przyszłości uda się wykorzystywać technologię do sztucznego wytwarzania analogów Ziemi przez tzw. terraforming. Modne obecnie teorie multiwszechświata sugerują też, że ziemski analog może istnieć w innym wszechświecie lub nawet być inną wersją samej Ziemi w równoległym wszechświecie.
W listopadzie 2013 r. astronomowie poinformowali, że na podstawie danych z teleskopu Keplera i innych misji, w strefie mieszkalnej gwiazd podobnych do Słońca i czerwonych gwiazd karłowatych w galaktyce Drogi Mlecznej może znajdować się nawet 40 miliardów planet wielkości Ziemi.
Z rozkładu statystycznego wynikało, iż najbliższa z nich może być oddalona od nas o najwyżej dwanaście lat świetlnych. W tym samym roku potwierdzono, że w strefie zamieszkania wokół gwiazd krąży kilka kandydatek odkrytych przez Keplera o średnicach mniejszych niż 1,5 promienia Ziemi. Dopiero jednak w 2015 r. ogłoszono pierwszego bliskiego Ziemi kandydata - egzoplanetę Kepler-452b.
Prawdopodobieństwo znalezienia analogu Ziemi zależy głównie od atrybutów, które mają być podobne. Warunkami domyślnymi, ale nie bezwzględnymi są: rozmiar planety, grawitacja na powierzchni, wielkość i typ gwiazdy macierzystej (tj. analog Słońca), odległość orbitalna i stabilność, nachylenie osiowe i rotacja, podobna geografia, istnienie oceanów, atmosfery i klimatu, silna magnetosfera.
Jeśli istniałoby tam życie złożone, znaczną część powierzchni planety mogą pokrywać lasy. Jeśli miałoby występować inteligentne życie, niektóre rejony mogłyby być zurbanizowane. Szukanie dokładnych analogii z Ziemią może być jednak zwodnicze, ze względu na bardzo specyficzne okoliczności występujące na i wokół Ziemi, np. istnienie Księżyca wpływającego na wiele zjawisk na naszej planecie.
Planetary Habitability Laboratory z Uniwersytutu Puerto Rico w Arecibo sporządziło niedawno zestawienia kandydatek na analogi Ziemi (9). Najczęściej klasyfikacje tego typu rozpoczyna się od rozmiaru i masy, ale to złudne kryterium, zważywszy np. na bliską nam Wenus, która ma niemal identyczną wielkość jak Ziemia, a jakie warunki na niej panują, wiadomo.
Innym często przytaczanym kryterium jest to, że analog Ziemi powinien mieć podobną do niej geologię powierzchni. Najbliższymi znanymi przykładami są Mars oraz Tytan, i chociaż istnieją tu podobieństwa odnośnie do ukształtowania terenu i składu warstw powierzchni, występują również znaczne różnice, takie jak temperatura.
Wiele materiałów powierzchniowych i form ukształtowania terenu Ziemi powstaje przecież dopiero w wyniku oddziaływania z wodą (np. glina i skały osadowe) lub jako produkt uboczny życia (np. wapień lub węgiel), interakcji z atmosferą, aktywności wulkanicznej albo ludzkiej ingerencji.
Prawdziwy analog Ziemi musiałby więc powstać w wyniku podobnych procesów, mając atmosferę, wulkany wchodzące w interakcje z powierzchnią, wodę w stanie ciekłym i jakieś formy życia.
W przypadku atmosfery zakłada się też efekt cieplarniany. Na końcu wykorzystywana jest temperatura powierzchni. Wpływa na nią klimat, na który z kolei wpływa orbita i rotacja planety, z których każda wprowadza kolejne zmienne.
Innym kryterium idealnego życiodajnego ziemskiego analogu jest to, że powinien on orbitować wokół analogu Słońca. Jednak ten element może nie być w pełni uzasadniony, ponieważ środowisko sprzyjające życiu jest w stanie lokalnie zapewnić wiele różnych rodzajów gwiazd.
Przykładowo, w Drodze Mlecznej większość gwiazd jest mniejsza i ciemniejsza od Słońca. Jedna z nich, wspominana wcześniej TRAPPIST-1, znajduje się w odległości trzydziestu dziewięciu lat świetlnych od nas, w gwiazdozbiorze Wodnika, i jest ok. 10 razy mniejsza i 2 tys. razy mniej jasna niż nasze Słońce, a mimo to w jej strefie zamieszkania znajduje się co najmniej sześć planet podobnych do Ziemi. Warunki te mogą wydawać się niekorzystne dla życia, jakie znamy, ale TRAPPIST-1 ma prawdopodobnie przed sobą wielokrotnie dłuższą egzystencję niż nasza gwiazda, zatem życiu przysługuje tam jeszcze dużo czasu na ewolucję.
Woda pokrywa 70% powierzchni Ziemi i jest uznawana za jeden z żelaznych warunków istnienia znanych nam form życia. Najprawdopodobniej wodnym światem jest planeta Kepler-22b, znajdująca się w strefie mieszkalnej gwiazdy podobnej do Słońca, ale znacznie większa od Ziemi - jej rzeczywisty skład chemiczny pozostaje nieznany.
Przeprowadzone w 2008 r. przez astronoma Michaela Meyera z Uniwersytetu w Arizonie badania pyłu kosmicznego w pobliżu niedawno powstałych gwiazd podobnych do Słońca sugerują, że wokół od 20 do aż 60% analogów Słońca mamy dowody na tworzenie się planet skalistych, w procesach podobnych do tych, które doprowadziły do powstania Ziemi.
W 2009 r. Alan Boss z Carnegie Institution of Science spekulował, że tylko w naszej galaktyce Drogi Mlecznej może istnieć 100 miliardów planet ziemiopodobnych.
W 2011 r. Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA (JPL), również na podstawie obserwacji z misji Keplera, stwierdziło, że w strefach mieszkalnych ok. 1,4 do 2,7% wszystkich gwiazd podobnych do Słońca powinny krążyć planety wielkości Ziemi. Oznacza to, że w samej galaktyce Drogi Mlecznej mogą ich być 2 miliardy, a zakładając, że szacunek ten sprawdza się dla wszystkich galaktyk, to w 50 miliardach galaktyk w obserwowalnym Wszechświecie może ich być nawet 100 kwintylionów.
W 2013 r. Centrum Astrofizyki Harvard-Smithsonian, wykorzystujące analizę statystyczną dodatkowych danych Keplera, zasugerowało, że w Drodze Mlecznej znajduje się co najmniej 17 miliardów planet wielkości Ziemi - bez uwzględniania ich położenia w strefach zamieszkania. W badaniu z 2019 r. ustalono, że planety wielkości Ziemi mogą okrążać jedną na sześć gwiazd podobnych do Słońca.
Wzór na podobieństwo
Wskaźnik podobieństwa do Ziemi (Earth Similarity Index, ESI) jest proponowaną charakterystyką podobieństwa obiektu planetarnego lub naturalnego satelity do Ziemi. Został on zaprojektowany w skali od zera do jednego, przy czym Ziemi przyporzadkowano wartość jeden. Parametr ma na celu ułatwienie porównywania planet w dużych bazach danych.
ESI, zaproponowany w 2011 r. w czasopiśmie "Astrobiology", agreguje informacje o promieniu planety, jej gęstości, prędkości i temperaturze powierzchni.
Strona internetowa prowadzona przez jednego z autorów artykułu z 2011 r., Abla Méndeza z Uniwersytetu Puerto Rico, wymienia jego obliczenia wskaźnika dla różnych systemów egzoplanetarnych. ESI Méndeza jest obliczany wzorem pokazanym na ilustracji 10, w którym xi oraz xi0 są właściwościami ciała pozaziemskiego w stosunku do Ziemi, wi jest ważonym wykładnikiem każdej właściwości, a n - całkowitą liczbą właściwości. Został on skonstruowany na podstawie wskaźnika podobieństwa Braya-Curtisa.
Waga przypisana do każdej właściwości, wi, jest dowolnym parametrem, który może być wybrany w celu podkreślenia pewnych cech nad innymi lub dla uzyskania pożądanych progów indeksu albo rankingów. Strona internetowa klasyfikuje również to, co opisuje jako możliwość zamieszkania na egzoplanetach i egzoksiężycach wg trzech kryteriów: lokalizacji w strefie mieszkalnej, ESI oraz spekulacji co do możliwości utrzymania organizmów z dołu łańcucha pokarmowego.
W rezultacie wykazano np. że drugi co do wielkości ESI w Układzie Słonecznym należy do Marsa i wynosi 0,70. Wskaźnik kilku egzoplanet wymienionych w tym artykule przekracza tę wartość, przy czym niedawno odkryty Teegarden b ma najwyższy ESI spośród potwierdzonych egzoplanet, na poziomie 0,95.
Gdy mówimy o podobnych do Ziemi i zdatnych do zamieszkania egzoplanetach, nie można zapomnieć również o możliwości istnienia zamieszkiwalnych egzoksiężyców, czyli księżyców egzoplanet.
Nie potwierdzono jeszcze co prawda istnienia żadnych naturalnych satelitów pozasłonecznych, ale w październiku 2018 r. prof. David Kipping ogłosił odkrycie potencjalnego egzoksiężyca na orbicie obiektu Kepler-1625b.
Duże planety w Układzie Słonecznym, takie jak Jowisz i Saturn, mają duże księżyce, pod pewnymi względami nadające się do życia. Dlatego niektórzy naukowcy spekulują, że wokół dużych planet pozasłonecznych (i planet podwójnych) mogą krążyć podobnie duże księżyce, potencjalnie zdatne do zamieszkania. Księżyc o wystarczającej masie jest w stanie podtrzymywać atmosferę taką jak Tytan, a także płynną wodę na powierzchni.
Szczególnie interesujące pod tym względem są masywne planety pozasłoneczne, o których wiadomo, że znajdują się w strefie mieszkalnej (takie jak Gliese 876 b, 55 Cancri f, Ypsilon Andromedae d, 47 Ursae Majoris b, HD 28185 b i HD 37124 c), ponieważ mogą potencjalnie posiadać naturalne satelity z płynną wodą na powierzchni.
Życie wokół czerwonej lub białej gwiazdy?
Astronomowie uzbrojeni w dorobek prawie dwóch dekad odkryć w świecie egzoplanet zaczęli już tworzyć obraz tego, jak może wyglądać nadająca się do zamieszkania planeta, choć większość z nich skupiła się na tym, co już wiemy: planecie takiej jak Ziemia, krążącej wokół żółtego karła, jak nasze Słońce, sklasyfikowanej jako gwiazda typu G, o głównej sekwencji. Co jednak z mniejszymi, czerwonymi gwiazdami typu M, których jest w naszej Galaktyce znacznie więcej?
Jaki mógłby być nasz dom, gdyby znajdował się na orbicie czerwonego karła? Odpowiedź brzmi: trochę jak Ziemia, i w dużej mierze nie tak jak Ziemia.
Z powierzchni takiej wyimaginowanej planety przede wszystkim widzielibyśmy bardzo duże słońce. Wydawałoby się od półtora do nawet trzech razy większe niż to, które mamy przed oczami teraz, biorąc pod uwagę bliską orbitę. Jak można wywnioskować z nazwy, słońce to jaśniałoby na czerwono, ze względu na jego niższą temperaturę.
Czerwone karły są w połowie tak gorące jak nasze Słońce. Taka planeta mogłaby wydawać się początkowo trochę obca w porównaniu z Ziemią, ale nie szokująco inna. Prawdziwe różnice zaczynają być widoczne dopiero wtedy, gdy uświadomimy sobie, że większość tego rodzaju obiektów ma zsynchronizowane z gwiazdą obroty, a więc jedna strona zawsze jest zwrócona jedną stroną do swojej gwiazdy, podobnie jak nasz Księżyc w relacji do Ziemi.
Oznacza to, że druga strona pozostaje naprawdę ciemna, gdyż pozbawiona jest całkowicie dostępu do źródła światła - w przeciwieństwie do Księżyca, którego Słońce oświeca nieco po drugiej stronie. W efekcie, zgodnie z powszechnym założeniem, część planety pozostająca w wiecznym świetle dziennym zostałaby wypalona, podczas gdy ta pogrążona w wieczystej nocy byłaby zamarznięta. Jednak... niekoniecznie musi tak być.
Przez wiele lat astronomowie wykluczali okolice czerwonych karłów jako tereny do poszukiwania planet podobnych do Ziemi - uważali, że podział planety na dwie radykalnie różne części spowoduje, że żadna z nich nie będzie się nadawała do zamieszkania. Niektórzy jednak zauważyli, że w światach wyposażonych w atmosferę zachodziłaby specyficzna cyrkulacja, powodująca że od strony słońca gromadziłyby się grube chmury, zapobiegające wypalaniu powierzchni przez silne promieniowanie. Prądy cyrkulacyjne rozprowadzałyby zarazem ciepło po całej planecie.
Ponadto takie zagęszczenie atmosfery stanowiłoby w ciągu dnia ważną obronę przed innymi zagrożeniami związanymi z promieniowaniem. Młode czerwone karły w ciągu pierwszych kilku miliardów lat swojej działalności są bardzo aktywne, emitują flary i promieniowanie ultrafioletowe.
Gęste chmury chroniłyby zapewne potencjalne życie, choć mimo wszystko bardziej prawdopodobne byłoby ukrywanie się hipotetycznych organizmów głęboko w wodach planetarnych. Zresztą naukowcy sądzą dziś, że promieniowanie, np. w zakresie ultrafioletowym, wcale nie wyklucza rozwoju organizmów. Wczesne życie na Ziemi, od którego pochodzą wszystkie znane nam organizmy, w tym i homo sapiens, rozwijało się przecież w warunkach silnego promieniowania UV.
Nawiązuje to do warunków zakładanych na najbliższej znanej nam ziemiopodobnej egzoplanecie. Astronomowie z Uniwersytetu Cornella twierdzą bowiem, że życie na Ziemi przetrwało już gorsze promieniowanie niż to znane z Proxima-b.
Proxima-b, oddalona zaledwie o 4,24 roku świetlnego od Układu Słonecznego i najbliższa znana nam planeta skalna przypominająca Ziemię (choć prawie nic o niej nie wiemy), otrzymuje 250 razy więcej promieniowania rentgenowskiego niż Ziemia. Może również doświadczać śmiertelnego poziomu promieniowania ultrafioletowego na swojej powierzchni.
Zakłada się, że podobne do Proximy-b warunki panują w układach TRAPPIST-1, Ross-128b (blisko jedenaście lat świetlnych od Ziemi, w konstelacji Panny) oraz LHS-1140 b (czterdzieści lat świetlnych od Ziemi, w konstelacji Wieloryba).
Inne spekulacje dotyczą wyglądu potencjalnych organizmów. Ponieważ ciemny czerwony karzeł dostarczałby znacznie mniej światła, zakłada się, że gdyby na planecie krążącej wokół niego miały egzystować organizmy przypominające nasze rośliny, potrzebowałyby pochłaniać do fotosyntezy światło w znacznie szerszym zakresie fal, co oznaczałoby, że "egzorośliny" mogłyby być dla naszego oka nieomal czarne (zobacz także: Zielony Graal - jak odtworzyć fotosyntezę). Warto jednak w tym miejscu uświadomić sobie, że rośliny o innym niż zielone ubarwieniu, nieco inaczej pochłaniające światło, znane są i na Ziemi.
Od niedawna badacze interesują się też inną kategorią obiektów - białymi karłami o podobnych rozmiarach jak Ziemia, które w sensie ścisłym nie są gwiazdami, ale tworzą wokół siebie stosunkowo stabilne środowisko, przez miliardy lat emitując energię, co czyni je intrygującymi celami poszukiwań egzoplanetarnych.
Ich niewielkie rozmiary i wynikający z tego duży sygnał tranzytowy ewentualnej egzoplanety stwarzają szanse obserwacji przy pomocy teleskopów nowej generacji potencjalnych atmosfer skalistych planet, jeśli takie istnieją. Astronomowie chcą do poznawania tego rodzaju obiektów wykorzystać wszystkie budowane i planowane obserwatoria, w tym teleskop Jamesa Webba, naziemny Ekstremalnie Wielki Teleskop, a także przyszłe Origins, HabEx i LUVOIR, jeśli tylko powstaną.
Jest w tej wspaniale rozwijającej się dziedzinie poszukiwań, badań i poznawania egzoplanet jeden problem, na razie niewielki, ale taki, który z czasem może okazać się palący. Otóż jeśli dzięki coraz doskonalszym instrumentom w końcu uda nam się odkryć egzoplanetę - bliźniaczkę Ziemi, spełniającą wszystkie skomplikowane wymagania, pełną wody, powietrza i z temperaturą w sam raz, a w dodatku planeta ta wyglądać będzie na "wolną", to bez techniki pozwalającej nam dolecieć tam w jakimś sensownym czasie, świadomość jej istnienia może okazać się udręką.
Ale na szczęście nie mamy jeszcze tego kłopotu.
Mirosław Usidus
