Зони життя в космосі
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Якось на з’їзді Міжнародної астронавтичної федерації в Римі астробіолог Губерт Стругхольд повідомив про результати своїх досліджень зони життя в Сонячній системі. Цю зону він назвав екосферою Сонця. На його думку, життя, засноване на з’єднаннях вуглецю, може існувати на планетах, які обертаються навколо Сонця лише на певній відстані, не надто великій і не дуже малій. На цих планетах повинні бути відповідні для життя температури, вода в рідкому стані і вільний кисень в атмосфері. Найважливішим фактором тут є, очевидно, температура, тому що від неї залежить і наявність інших двох екологічних факторів.
За теорією Койпера та Юрі, первинні планетні атмосфери складалися з водню і його сполук: метану й аміаку. Під впливом короткохвильового випромінювання Сонця водяна пара, що знаходилась у верхніх шарах такої атмосфери, поступово розщеплювалася на водень і кисень. Легкий водень, що володів швидким молекулярним рухом, йшов у міжпланетний простір, а важчий кисень, молекули якого рухалися повільніше, насичував атмосферу у все більшій мірі. Окислюючи аміак, він відщеплює від нього вільний азот. Аналогічним чином він діяв і на метан, даючи вуглекислоту. Всі ці процеси йшли повільно. В атмосфері Землі вони тривають вже 2,5 мільярда років. Таким чином, на деяких планетах з’явилися кисневі атмосфери; такі планети повинні добре висвітлюватися Сонцем і, отже, перебувати не надто далеко від нього.
Основною умовою для існування атмосфери, про яку Стругхольд не згадує, є досить велика маса планети. Тільки планета може утримувати рухливі атмосферні гази протягом мільярдів років. Ця умова виконується на всіх планетах нашої системи (крім Меркурія і астероїдів), а також на Титанії – найбільшому з супутників Сатурна.
Відомо, що атмосфери планет грають роль стекол в парниках. Вони вільно пропускають сонячні промені, але досить ефективно перешкоджають випромінюванню «планетарної теплоти» в простір. У результаті цього поверхню планет, оточених атмосферою, можна розглядати як ідеально чорні тіла. Ця гіпотеза, що підкріплюється кліматологічними дослідженнями на Землі і вимірами температури на поверхні різних планет, дозволяє застосувати при вивченні проблеми прості фізичні формули.
ЕКОСФЕРА СОНЦЯ
Що дали розрахунки для Сонця? Прийнявши гіпотезу біологів про те, що органічне життя, засноване на вуглецевих з’єднаннях, можливе при зовнішніх температурах від +80 ° до -70 ° за Цельсієм, отримуємо для екосфери Сонця зону простору, укладену між відстанями від 92 до 275 мільйонів кілометрів (від Сонця). Цю зону ми отримаємо, вийнявши з кулі з радіусом 275 мільйонів кілометрів меншу кулю, з радіусом 92 мільйони кілометрів. Такий простір можна назвати кульовим кільцем. Стругхольд вживає вираз «кульова оболонка».
У цій зоні знаходяться тільки три планети: Венера, Земля і Марс. Наша Земля має оптимальне положення: вона обертається майже в самому термічному центрі екосфери. Використовуючи закон Стефана – Больцмама, можна визначити середньорічну температуру поверхні планети як абсолютно чорного тіла. Для Землі вона виходить рівною +3 ° С. Це узгоджується з результатами кліматологічних вимірювань на Землі, що дають середню річну температуру, рівну +14 °. Отже, Земля завдяки атмосфері так добре розпоряджається електромагнітним випромінюванням Сонця, що отримує навіть більше тепла, ніж могло б мати на її місці ідеально чорне тіло.
ЕКОСФЕРА ЗІРОК
Звернемося тепер до світу зірок. Зрозуміло, кожна зірка має свою екосферу. Її фізичні параметри можна визначити за допомогою відповідних рівнянь. Відстань екосфери від зірки та її ширина прямо пропорційні радіусу зірки і квадрату температури її поверхні. Прийняті нами температурні межі для життя дозволяють встановити, що ширина екосфери дорівнює подвоєній відстані її початку від центру зірки. Це спільна риса для всіх Екосфер.
Які висновки можна зробити звідси? Гарячі зірки і зірки-гіганти володіють дуже широкими Екосферами. У зірок, близьких до карликів, на зразок Сонця, екосфери розташовані ближче і мають меншу ширину. У субкарликів вони перебувають ніби в рудиментарному стані. Наведемо два крайніх численних приклади. Для компоненти А подвійної зірки UW Великого Пса ми отримаємо екосферу в 740 разів товстіше і в стільки ж разів далі від зірки, ніж для нашого Сонця. Зате субкарликова зірка Вольф-359 має екосферу, яка в 100 разів ближче до центру і в 100 разів тонше, ніж у Сонця.
Тут можна зробити одне суттєве зауваження. Потрібно враховувати той факт, що екосфера зірки не завжди збігається з зоною її планет. Останні можуть знаходитися, наприклад, у гігантів, ближче, ніж Екосфера, і тому бути «перегрітими», а в субкарликів вони можуть розташовуватися далеко за межами екосфери, тобто перебувати в «замороженому» стані.
І ще одне зауваження. Якщо навколо деяких зірок життя ґрунтується на іншому елементі, крім вуглецю, то наші «екосферичні» формули не втратять свого значення; потрібно тільки вставити в них інші межі вихідних температур.
ЖИТТЄВИЙ ПРОСТІР В КОСМОСІ
Спробуємо тепер відповісти на запитання: який же простір надано в космосі для життя? Приклад Сонця показує, що в просторі, займаному планетною системою, екосфера охоплює тільки-но 0,0001 частини його.
Звернемося тепер до сусідніх зірок. Розрахувавши екосфери зірок у радіусі 17 світлових років, автор отримав наступні результати. Це простір охоплює близько 20 тисяч кубічних світлових років, і в ньому є в цілому 55 зірок, екосфери яких займають в сумі ледь 0,25 * 10 в мінус 25 ступені зазначеного обсягу.
Якщо подібну густоту зірок прийняти для всієї Галактики, то виявиться, що життя в ній займає таку ж частину всього обсягу. А космос? Зважаючи на порожні простори, якими розділені між собою сусідні галактики, прийдемо до висновку, що обсяг доступної спостереженнями частини космосу, придатний для життя, становить 10-20 відсотків загального обсягу.
КІЛЬКІСТЬ ПЛАНЕТ У ВСЕСВІТІ
Розглянувши, яке місце займають у Всесвіті зони життя, спробуємо тепер визначити кількість планет в космосі. Гравітаційні дослідження показали, що 25 відсотків найближчих до Сонця зірок мають дуже масивні «планетні супутники».
Крім них, напевно, є і «нормальні» планети, розмірами, наприклад, із Землю, які не виявляються гравітаційним шляхом. Але ці дослідження обмежуються лише найближчим сусідством з Сонцем. В останні роки проведені великі дослідження, засновані на вивченні зоряних спектрів.
Тридцять років тому російські астрономи Струве і Шайн помітили, що в спектрах гігантських, молодих зірок всі лінії розмиті і розмазані. Навпаки, у зірок, що наближаються до карликів і мають поважний вік, ці лінії ясні і чіткі. Виявилося, що причиною розмитості спектральних ліній у зірок є швидке обертання (останніх навколо своєї осі. Якщо кут між променем нашого зору і напрямом осі обертання зірки близький до 90 °, то ефект Доплера в спектрі виражений особливо сильно. Частини зоряного диска, що наближаються до нас, особливо в зоні екватора, викликають зсув всіх без винятку спектральних ліній до фіолетового кінця спектра, а частини, що віддаляються від нас, зрушують їх до червоного кінця; тому всі лінії на спектрограмах таких зірок виявляються розмитими.
За «профілем» спектральних ліній, ґрунтуючись на ефекті Доплера, можна виміряти швидкість обертання зірки на екваторі з точністю до 1 км./сек. Що ж дали такі виміри? Виявилося, що «молоді» гіганти обертаються навколо своїх осей зі швидкістю, на екваторі рівною 300, 200, 100 км./сек. або дещо менше, тоді як «літні» – карлики і субкарлики – мають дуже малу швидкість, порядку ледь декількох кілометрів в секунду. Наприклад, у нашого Сонця, що відноситься до категорії карликів, швидкість обертання на екваторі становить тільки 2 км./сек.
В уповільненні обертання зірок космологи Хойль, Альфвен, Струве бачать безпосередній результат утворення у них планетних систем. Планети забрали з собою левову частку моменту обертового руху. Порівняно простий розрахунок показує, наприклад, що 98 відсотків моменту обертання Сонячної системи належить планетам і лише 2 відсотки – самому Сонцю.
Як відомо, зірки спектральних типів О, В, А, кількість яких досягає 33 відсотків, це гіганти. Спектральні типи F і G – карлики (їх 32 відсотки). Нарешті, спектральні типи К, М, N, R, S, що охоплюють 35 відсотків зірок, відносяться до так званих субкарликів. Встановивши екваторіальну швидкість обертання і вік цих типів зірок, легко розрахувати, що 67 відсотків зірок у Галактиці повинні володіти планетами, а решта 33 відсотки отримають їх тільки в майбутньому. Ці розрахунки засновані на великому багатотомному каталозі зоряних спектрів Генрі Дрепера, що включає в себе відомості про 240 тисяч спектрів окремих зірок аж до дев’ятої величини.
Однак каталог Дрепера займається переважно більш яскравими зірками як більш доступними для спектроскопічного аналізу. Статистичне обстеження добре відомої найближчої до Сонця області, в радіусі 17 світлових років, дає дещо інші результати, що вказують на ще більше чисельну перевагу карликів і субкарликів (96 відсотків) перед гігантами (4 відсотки).
Виходячи з цього, можна припускати, що планетними системами володіє близько 90 відсотків усіх зірок в Галактиці. Інакше кажучи, планетні системи є в ній скоріше правилом, ніж винятком. Допускаючи, що кожна система складається з декількох планет, приходимо до припущення, що кількість планет в Галактиці більше кількості зірок. Повільна еволюція атмосфери і органічного життя від перших клітин до розумних істот вимагає, щоб планета перебувала в екосфері близько 3,5 мільярда років. Ця умова, як вже вказувалося, здійснена для 67 відсотків, а за іншими даними, – навіть для 90 відсотків зірок. Отже, високорозвинені цивілізації на планетах повинні бути в Галактиці швидше повсякденним явищем, ніж винятковим, тобто зовсім не так, як передбачалося раніше, коли вважалося, що планетами володіє ледь одна зірка на мільйон.
Автор: Я. Гадомський.