Comment recherchent-ils des planètes dans la zone habitable, quelles conditions sont nécessaires à la formation de la vie et ce qui est intéressant dans la découverte de l'exoplanète Proxima b
La zone habitable, qui en anglais s'appelle la zone habitable, est une zone dans l'espace présentant les conditions de vie les plus favorables de type terrestre. Le terme habitat signifie que presque toutes les conditions de vie sont réunies, nous ne le voyons tout simplement pas. L'aptitude à la vie est déterminée par les facteurs suivants: la présence d'eau sous forme liquide, une atmosphère suffisamment dense, la diversité chimique (molécules simples et complexes basées sur H, C, N, O, S et P) et la présence d'une étoile qui apporte la quantité d'énergie requise.
Histoire de l'étude: planètes terrestres
Du point de vue de l'astrophysique, il y a eu plusieurs stimuli pour l'émergence du concept de zone habitable. Considérez notre système solaire et quatre planètes terrestres: Mercure, Vénus, Terre et Mars. Mercure n'a pas d'atmosphère, et il est trop proche du Soleil, donc pas très intéressant pour nous. C'est une planète au triste destin, car même si elle avait une atmosphère, elle serait emportée par le vent solaire, c'est-à-dire un flux de plasma sortant continuellement de la couronne de l'étoile.
Considérez le reste des planètes terrestres du système solaire - ce sont Vénus, la Terre et Mars. Ils sont apparus pratiquement au même endroit et dans les mêmes conditions il y a environ 4,5 milliards d'années. Et donc, du point de vue de l'astrophysique, leur évolution devrait être assez similaire. Or, au début de l'ère spatiale, lorsque nous avons avancé dans l'étude de ces planètes à l'aide d'engins spatiaux, les résultats obtenus ont montré des conditions extrêmement différentes sur ces planètes. Nous savons maintenant que Vénus a une pression très élevée et est très chaude en surface, 460-480 ° C - ce sont des températures auxquelles de nombreuses substances fondent même. Et dès les premiers clichés panoramiques de la surface, on a vu qu'elle est complètement inanimée et pratiquement pas adaptée à la vie. La surface entière est un continent.
Planètes terrestres - Mercure, Vénus, Terre, Mars
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D'autre part, Mars. C'est un monde froid. Mars a perdu son atmosphère. C'est encore une surface désertique, bien qu'il y ait des montagnes et des volcans. L'atmosphère de dioxyde de carbone est très mince; si l'eau était là, alors tout était gelé. Mars a une calotte polaire, et les résultats récents d'une mission sur Mars suggèrent qu'il existe de la glace sous la couverture sablonneuse - le régolithe.
Et la Terre. Température très favorable, l'eau ne gèle pas (du moins pas partout). Et c'est sur Terre que la vie est née - à la fois primitive et multicellulaire, la vie intelligente. Il semblerait que nous voyions une petite partie du système solaire, dans laquelle trois planètes, appelées planètes terrestres, se sont formées, mais leur évolution est complètement différente. Et sur ces premières idées sur les voies d'évolution possibles des planètes elles-mêmes, l'idée de la zone habitable est née.
Limites de la zone habitable
Les astrophysiciens observent et étudient le monde qui nous entoure, l'espace extra-atmosphérique qui nous entoure, c'est-à-dire notre système solaire et les systèmes planétaires dans d'autres étoiles. Et pour systématiser d'une manière ou d'une autre, où chercher, quels objets s'intéresser, vous devez comprendre comment déterminer la zone habitable. Nous avons toujours cru que les autres étoiles devraient avoir des planètes, mais la puissance instrumentale nous a permis de découvrir les premières exoplanètes - des planètes situées en dehors du système solaire - il y a à peine 20 ans.
Comment les limites intérieures et extérieures de la zone habitable sont-elles déterminées? On pense que dans notre système solaire, la zone habitable est située à une distance de 0,95 à 1,37 unité astronomique du Soleil. Nous savons que la Terre est à 1 unité astronomique (UA) du Soleil, Vénus à 0,7 UA. e., Mars - 1,5 a. e. Si nous connaissons la luminosité d'une étoile, alors il est très facile de calculer le centre de la zone habitable - il suffit de prendre la racine carrée du rapport de la luminosité de cette étoile et de se référer à la luminosité du Soleil, c'est-à-dire:
Rae = (Lstar / Lsun) 1/2.
Ici Rae est le rayon moyen de la zone habitable en unités astronomiques, et Lstar et Lsun sont les luminosités bolométriques de l'étoile recherchée et du Soleil, respectivement. Les limites de la zone habitable sont fixées en fonction de l'exigence de présence d'eau liquide sur les planètes qui s'y trouvent, car c'est un solvant nécessaire dans de nombreuses réactions biomécaniques. Au-delà de la limite extérieure de la zone habitable, la planète ne reçoit pas suffisamment de rayonnement solaire pour compenser les pertes de rayonnement, et sa température descendra en dessous du point de congélation de l'eau. Une planète située plus près de l'étoile que la limite intérieure de la zone habitable sera excessivement chauffée par son rayonnement, ce qui entraînera l'évaporation de l'eau.
Plus strictement, la frontière intérieure est déterminée à la fois par la distance de la planète à l'étoile et par la composition de son atmosphère, et en particulier par la présence des gaz dits à effet de serre: vapeur d'eau, dioxyde de carbone, méthane, ammoniac et autres. Comme vous le savez, les gaz à effet de serre provoquent un réchauffement de l'atmosphère, ce qui dans le cas d'un effet de serre à croissance catastrophique (par exemple, Vénus précoce) conduit à l'évaporation de l'eau de la surface de la planète et à la perte de l'atmosphère.
La frontière extérieure est déjà l'autre côté du problème. Cela peut aller beaucoup plus loin lorsqu'il y a peu d'énergie du Soleil et que la présence de gaz à effet de serre dans l'atmosphère de Mars n'est pas suffisante pour que l'effet de serre crée un climat doux. Dès que la quantité d'énergie devient insuffisante, les gaz à effet de serre (vapeur d'eau, méthane, etc.) de l'atmosphère se condensent, tombent sous forme de pluie ou de neige, etc. Et les gaz à effet de serre se sont accumulés sous la calotte polaire sur Mars.
Il est très important de dire un mot sur la zone habitable des étoiles en dehors de notre système solaire: le potentiel est une zone d'habitabilité potentielle, c'est-à-dire que les conditions y sont réunies qui sont nécessaires, mais pas suffisantes, pour la formation de la vie. Ici, nous devons parler de la viabilité de la planète, lorsqu'un certain nombre de phénomènes et de processus géophysiques et biochimiques entrent en jeu, tels que le champ magnétique de la planète, la tectonique des plaques, la durée des jours planétaires, etc. Les phénomènes et processus énumérés sont actuellement étudiés activement dans une nouvelle direction de la recherche astronomique - l'astrobiologie.
Recherche de planètes dans la zone habitable
Les astrophysiciens recherchent simplement des planètes et déterminent ensuite si elles se trouvent dans la zone habitable. À partir d'observations astronomiques, vous pouvez voir où se trouve cette planète, où se trouve son orbite. Si dans la zone habitable, l'intérêt pour cette planète augmente immédiatement. Ensuite, vous devez étudier cette planète sous d'autres aspects: l'atmosphère, la diversité chimique, la présence d'eau et la source de chaleur. Cela nous fait déjà un peu sortir des crochets du concept de «potentiel». Mais le problème principal est que toutes ces étoiles sont très loin.
C'est une chose de voir une planète près d'une étoile comme le Soleil. Il existe un certain nombre d'exoplanètes similaires à notre Terre - les soi-disant sous-et super-Terres, c'est-à-dire des planètes avec des rayons proches ou dépassant légèrement le rayon de la Terre. Les astrophysiciens les étudient en étudiant l'atmosphère, on ne voit pas de surfaces - seulement dans des cas isolés, ce qu'on appelle l'imagerie directe, quand on ne voit qu'un point très éloigné. Par conséquent, nous devons étudier si cette planète a une atmosphère et, dans l'affirmative, quelle est sa composition, quels gaz s'y trouvent, etc.
Exoplanète (point rouge à gauche) et naine brune 2M1207b (au milieu). Première image prise à l'aide de la technologie d'imagerie directe en 2004
ESO / VLT
Au sens large, la recherche de la vie en dehors du système solaire, et dans le système solaire, est la recherche de soi-disant biomarqueurs. On pense que les biomarqueurs sont des composés chimiques d'origine biologique. Nous savons que le principal biomarqueur sur Terre, par exemple, est la présence d'oxygène dans l'atmosphère. Nous savons qu'il y avait très peu d'oxygène sur la Terre primitive. La vie primitive la plus simple est apparue tôt, la vie multicellulaire est apparue assez tardivement, sans parler d'intelligent. Mais ensuite, en raison de la photosynthèse, de l'oxygène a commencé à se former, l'atmosphère a changé. Et c'est l'un des biomarqueurs possibles. Maintenant, à partir d'autres théories, nous savons qu'il existe un certain nombre de planètes avec des atmosphères d'oxygène, mais la formation d'oxygène moléculaire y est causée non pas par des processus biologiques, mais par des processus physiques ordinaires,disons la décomposition de la vapeur d'eau sous l'influence du rayonnement ultraviolet stellaire. Par conséquent, tout l'enthousiasme selon lequel, dès que l'on voit l'oxygène moléculaire, il sera déjà un biomarqueur, n'est pas entièrement justifié.
Mission "Kepler"
Le télescope spatial Kepler (CT) est l'une des missions astronomiques les plus réussies (bien sûr, après le télescope spatial Hubble). Il vise à trouver des planètes. Grâce au Kepler CT, nous avons fait un bond en avant dans la recherche sur les exoplanètes.
Le Kepler CT était axé sur une voie de découverte - les soi-disant transits, lorsqu'un photomètre - le seul instrument à bord du satellite - suivait le changement de luminosité d'une étoile au moment où la planète passait entre elle et le télescope. Cela a donné des informations sur l'orbite de la planète, sa masse, son régime de température. Et cela a permis d'identifier environ 4500 candidats planétaires potentiels au cours de la première partie de cette mission.
Télescope spatial "Kepler"
NASA
En astrophysique, astronomie et, probablement, dans toutes les sciences naturelles, il est d'usage de confirmer les découvertes. Le photomètre enregistre que la luminosité de l'étoile change, mais qu'est-ce que cela peut signifier? Peut-être que l'étoile a une sorte de processus interne menant à des changements; les planètes passent - il s'assombrit. Par conséquent, il est nécessaire de regarder la fréquence des changements. Mais pour dire avec certitude qu'il y a des planètes là-bas, il est nécessaire de le confirmer d'une manière ou d'une autre - par exemple, en modifiant la vitesse radiale de l'étoile. Autrement dit, il y a maintenant environ 3600 planètes - ce sont des planètes confirmées par plusieurs méthodes d'observation. Et il y a près de 5 000 candidats potentiels.
Proxima Centauri
En août 2016, la confirmation a été reçue de la présence d'une planète nommée Proxima b près de l'étoile Proxima Centauri. Pourquoi est-ce si intéressant pour tout le monde? Pour une raison très simple: c'est l'étoile la plus proche de notre Soleil à une distance de 4,2 années-lumière (c'est-à-dire que la lumière couvre cette distance en 4,2 ans). C'est l'exoplanète la plus proche de nous et, peut-être, le corps céleste le plus proche du système solaire, sur lequel la vie peut exister. Les premières mesures ont été prises en 2012, mais comme cette étoile est une naine rouge froide, une très longue série de mesures a dû être prise. Et plusieurs équipes scientifiques de l'Observatoire européen austral (ESO) ont observé l'étoile pendant plusieurs années. Ils ont créé un site Web appelé Pale Red Dot (palereddot.org - éd.), C'est-à-dire un «point rouge pâle», et y ont publié des observations. Les astronomes ont attiré différents observateurs et il a été possible de suivre les résultats des observations dans le domaine public. Ainsi, il était possible de suivre le processus même de la découverte de cette planète presque en ligne. Et le nom du programme d'observation et du site Web remonte au terme Pale Red Dot inventé par le célèbre scientifique américain Carl Sagan pour des images de la planète Terre transmises par des engins spatiaux depuis les profondeurs du système solaire. Lorsque nous essayons de trouver une planète comme la Terre dans d'autres systèmes stellaires, nous pouvons essayer d'imaginer à quoi ressemble notre planète depuis les profondeurs de l'espace. Ce projet a été nommé Pale Blue Dot («pâle point bleu»), car depuis l'espace, en raison de la luminosité de l'atmosphère, notre planète est visible sous la forme d'un point bleu.il était possible de suivre le processus même de la découverte de cette planète presque en ligne. Et le nom du programme d'observation et du site Web remonte au terme Pale Red Dot inventé par le célèbre scientifique américain Carl Sagan pour des images de la planète Terre transmises par des engins spatiaux depuis les profondeurs du système solaire. Lorsque nous essayons de trouver une planète comme la Terre dans d'autres systèmes stellaires, nous pouvons essayer d'imaginer à quoi ressemble notre planète depuis les profondeurs de l'espace. Ce projet a été nommé Pale Blue Dot («pâle point bleu»), car depuis l'espace, en raison de la luminosité de l'atmosphère, notre planète est visible sous la forme d'un point bleu.il était possible de suivre le processus même de la découverte de cette planète presque en ligne. Et le nom du programme d'observation et du site Web remonte au terme Pale Red Dot inventé par le célèbre scientifique américain Carl Sagan pour des images de la planète Terre transmises par des engins spatiaux depuis les profondeurs du système solaire. Lorsque nous essayons de trouver une planète comme la Terre dans d'autres systèmes stellaires, nous pouvons essayer d'imaginer à quoi ressemble notre planète depuis les profondeurs de l'espace. Ce projet a été nommé Pale Blue Dot («pâle point bleu»), car depuis l'espace, en raison de la luminosité de l'atmosphère, notre planète est visible sous la forme d'un point bleu.proposé par le célèbre scientifique américain Carl Sagan pour des images de la planète Terre, transmises par vaisseau spatial depuis les profondeurs du système solaire. Lorsque nous essayons de trouver une planète comme la Terre dans d'autres systèmes stellaires, nous pouvons essayer d'imaginer à quoi ressemble notre planète depuis les profondeurs de l'espace. Ce projet a été nommé Pale Blue Dot («pâle point bleu»), car depuis l'espace, en raison de la luminosité de l'atmosphère, notre planète est visible sous la forme d'un point bleu.proposé par le célèbre scientifique américain Carl Sagan pour des images de la planète Terre, transmises par vaisseau spatial depuis les profondeurs du système solaire. Lorsque nous essayons de trouver une planète comme la Terre dans d'autres systèmes stellaires, nous pouvons essayer d'imaginer à quoi ressemble notre planète depuis les profondeurs de l'espace. Ce projet a été nommé Pale Blue Dot («pâle point bleu»), car depuis l'espace, en raison de la luminosité de l'atmosphère, notre planète est visible sous la forme d'un point bleu.
La planète Proxima b s'est retrouvée dans la zone habitable de son étoile et relativement proche de la Terre. Si nous, la planète Terre, sommes à 1 unité astronomique de notre étoile, alors cette nouvelle planète est 0,05, soit 200 fois plus proche. Mais l'étoile brille plus faiblement, il fait plus froid et, déjà à de telles distances, elle tombe dans la soi-disant zone de capture des marées. Alors que la Terre a capturé la Lune et qu'ils tournent ensemble, la même situation est ici. Mais en même temps, un côté de la planète se réchauffe et l'autre est froid.
Le prétendu paysage de Proxima Centauri b vu par l'artiste
ESO / M. Kornmesser
Il existe de telles conditions climatiques, un système de vents qui échange de la chaleur entre la partie chauffée et la partie sombre, et aux frontières de ces hémisphères, il peut y avoir des conditions de vie assez favorables. Mais le problème avec la planète Proxima Centauri b est que l'étoile mère est une naine rouge. Les naines rouges vivent assez longtemps, mais elles ont une propriété spécifique: elles sont très actives. Il y a des éruptions stellaires, des éjections de masse coronale, etc. De nombreux articles scientifiques sur ce système ont déjà été publiés, où, par exemple, ils disent que, contrairement à la Terre, le niveau de rayonnement ultraviolet y est 20 à 30 fois plus élevé. Autrement dit, pour avoir des conditions favorables à la surface, l'atmosphère doit être suffisamment dense pour se protéger des radiations. Mais c'est la seule exoplanète la plus proche de nous,qui peut être étudié en détail avec la prochaine génération d'instruments astronomiques. Observez son atmosphère, voyez ce qui s'y passe, s'il y a des gaz à effet de serre, quel est le climat là-bas, s'il y a des biomarqueurs là-bas. Des astrophysiciens étudieront la planète Proxima b, un objet chaud pour la recherche.
Points de vue
Nous attendons le lancement de plusieurs nouveaux télescopes terrestres et spatiaux, de nouveaux instruments. En Russie, ce sera le télescope spatial Spektr-UF. L'Institut d'astronomie de l'Académie russe des sciences travaille activement sur ce projet. En 2018, le télescope spatial américain sera lancé. James Webb est la nouvelle génération par rapport à CT im. Hubble. Sa résolution sera beaucoup plus élevée, et nous pourrons observer la composition de l'atmosphère dans ces exoplanètes dont nous savons, en quelque sorte résoudre leur structure, système climatique. Mais il faut comprendre qu'il s'agit d'un instrument astronomique courant - naturellement, il y aura une très forte concurrence, ainsi qu'au CT. Hubble: quelqu'un veut regarder la galaxie, quelqu'un - les étoiles, quelqu'un d'autre quelque chose. Plusieurs missions spécialisées d'exploration des exoplanètes sont prévues,par exemple, le TESS de la NASA (Transiting Exoplanet Survey Satellite). En fait, dans les 10 prochaines années, nous pouvons nous attendre à un progrès significatif dans nos connaissances sur les exoplanètes en général et sur les exoplanètes potentiellement habitables comme la Terre en particulier.
Valery Shematovich, docteur en sciences physiques et mathématiques, chef du département de recherche sur le système solaire, Institut d'astronomie, Académie des sciences de Russie