Źródło zdjęcia: John Rowe
Poszukiwanie planet podobnych do Ziemi rozpoczyna się od poszukiwania gwiazd podobnych do Słońca. Astronom Maggie Turnbull została poproszona o sporządzenie krótkiej listy trzydziestu kandydujących gwiazd, które ściśle pasowały do naszego Słońca, z ogólnej listy 2350 gwiazd, które znajdują się w odległości stu lat świetlnych od nas. Z tej krótkiej listy, w tym 37 klejnotów, skorzysta misja Terrestrial Planet Finder, która będzie poszukiwać planet nadających się do zamieszkania, szukając widzialnego światła tlenu lub wody na planecie podobnej do Ziemi - pewny znak życia.
Trzydziesta siódma najbardziej wysunięta na zachód gwiazda w gwiazdozbiorze, Bliźnięta, jest żółto-pomarańczową gwiazdą, podobnie jak nasze Słońce. Gwiazda nazywa się 37 Geminorum, ale dla astrofizyki Margaret Turnbull gwiazda jest wyjątkowa, ponieważ oferuje studium przypadku do rozważenia, co można uznać za dobrego kandydata do schronienia planet nadających się do zamieszkania.
Budując swoją listę gwiazd, które mogłyby wspierać planety z ciekłą wodą i tlenem, musi wykluczyć ekstremalne słońca: albo za młode, albo za stare, które obracają się zbyt szybko lub które mają wystarczająco zmienną jasność, aby spowodować chaos klimatyczny na dowolnym świat w pobliżu.
W odległości 56,3 lat świetlnych gwiazda 37 Gem nie ma jeszcze znaków ostrzegawczych posiadania takich planet lub jakichkolwiek planet - ale przyszłe NASA i europejskie teleskopy chcą celować w gwiazdy takie jak 37 Gem, ponieważ mogą się dzielić niektóre z tych samych właściwości, które uczyniły nasz własny układ słoneczny możliwym do zamieszkania. Do tej pory znaleziono ponad 100 planet pozasłonecznych za pomocą teleskopów naziemnych, a szacunkowa suma takich planet w naszej galaktyce może wynosić łącznie miliardy światów kandydujących.
Maggie Turnbull, pracująca na uniwersytecie w Arizonie w Tucson, została poproszona o sporządzenie krótkiej listy trzydziestu kandydatów gwiazd, które najbardziej przypominały inne słońca zdolne do utrzymania warunków życia. Rozpoczęcie poszukiwań wśród gwiazd w odległości mniejszej niż sto lat świetlnych dało około 2350 gwiazd do rozważenia.
Turnbull niedawno zaprezentowała swoje wyniki grupie naukowców z projektu kosmicznego teleskopu NASA, Terrestrial Planet Finder (TPF), który będzie poszukiwał planet nadających się do zamieszkania, używając światła widzialnego z „sygnaturą” wody i / lub tlenu z Ziemi typ planety. Po planowanym uruchomieniu TPF około 2013 roku, będzie śledzić europejski projekt Darwin z udziałem sześciu teleskopów kosmicznych.
Lista gwiazd została sprowadzona z jeszcze większej listy (17 129 gwiazd w promieniu 450 lat świetlnych lub 140 parsek), którą Turnbull i doradca Jill Tarter z SETI Institute opublikowali po raz pierwszy w czasopiśmie Astrophysical Journal. Lista stała się znana jako katalog pobliskich gwiezdnych systemów gwiezdnych (lub HabCat). Ich artykuł opublikowany w sierpniu, zatytułowany „Wybór celu dla SETI: I. Katalog pobliskich gwiezdnych układów gwiezdnych”, powiększył poprzednie listy kandydatów prawie dziesięciokrotnie, lub o rząd wielkości.
Aby wesprzeć złożone życie, kandydująca gwiazda musi mieć odpowiedni kolor, jasność i wiek. Jeśli jest gwiazdą w średnim wieku, taką jak nasza, przepali się przez wystarczająco dużo stopionych pierwiastków lekkich, aby wytworzyć cięższe metale, takie jak żelazo, ale nie tak stare, że zapada się lub jest tak młode, że życie jest tylko daleką perspektywą na przyszłość. Na podstawie tego, jakie fragmenty wiemy o tym, jak skomplikowane życie pojawiło się na Ziemi, poszukiwania Turnbulla mają na celu znalezienie „złotych ogniw” gwiazd, które wydają się „w sam raz”.
Dlaczego więc 37 klejnotów?
37 Geminorum leży w północno-zachodniej części konstelacji Bliźniąt, nazwanej na cześć Bliźniąt. Dla astronomów amatorów z dobrym teleskopem przydomowym widoczny jest 37 klejnotów. W mitologii greckiej bliźniacy Gemini popłynęli z Jasonem w poszukiwaniu Złotego Runa; podczas burzy bliźniacy pomogli uratować statek ARGO przed zatonięciem, więc konstelacja stała się bardzo ceniona przez żeglarzy.
Większość gwiazd, takich jak Gem 37, jest zgrupowanych w niewielką liczbę klas widmowych, opartych w przybliżeniu na kolorze emitowanego przez nie światła. Kompendium gwiazd, nazywane katalogiem Henry Draper, wymienia klasy widmowe w siedmiu szerokich kategoriach, od najgorętszych do najfajniejszych gwiazd. Typy te są oznaczone, w kolejności malejącej temperatury, literami O, B, A, F, G, K i M. Nomenklatura jest zakorzeniona w dawno przestarzałych koncepcjach ewolucji gwiazd, ale terminologia pozostaje. Nasze słońce, sklasyfikowane w drobniejszej skali jako typowy karzeł „G2V”, ma około 4,5 miliarda lat. Gwiazda kandydująca, 37 Gem, jest podobnie w średnim wieku, ale nieco starsza o miliard lat i ma 5,5 miliarda lat.
Widma gwiazd typu G, takich jak nasz (i 37 Klejnot), są zdominowane przez niektóre pierwiastki chemiczne, o czym świadczą ich charakterystyczne linie widmowe (lub emisje). Elementami najbardziej aktualnego zainteresowania są metale, szczególnie w przypadku tych znaków gwiazd bogatych w żelazo, wapń, sód, magnez i tytan. Z astronomicznego punktu widzenia, w porównaniu z klasyfikacją naszego Słońca jako typowego karła G2V, 37 Klejnot ma nieco wyższą temperaturę powierzchni. Zatem główny kilof Turnbulla - 37 klejnotów - jest skatalogowany jako karzeł G0V, co oznacza, że jest także żółto-pomarańczową gwiazdą karłowatą o głównej sekwencji. Ponieważ gwiazdy G charakteryzują się obecnością tych metalicznych linii i słabych widm wodoru, mają one wspólny wiek, masę i jasność.
W przeciwnym razie 37 klejnotów jest zbliżony do naszego bliźniaka słonecznego lub bliźniaczego odpowiednika Słońca: 1,1 raza masy Słońca, 1,03 raza jego średnicy i 1,25 raza jego jasności.
Luminozje są „być może najważniejszą informacją”, Turnbull powiedział Astrobiology Magazine, „używamy do określania warunków życia pobliskich gwiazd” dla złożonego życia, ponieważ jasność wskazuje, w której fazie życia znajduje się gwiazda, a to z kolei decyduje o tym, jak długo gwiazda pozostanie stabilna.
Magazyn Astrobiology miał okazję porozmawiać z Maggie Turnbull w Steward Observatory w Tucson o tym, jak wybrać gwiezdnych kandydatów do zamieszkania.
Astrobiology Magazine (AM): Twoja ostatnia ankieta zaczęła patrzeć na około 100 lat świetlnych odległych od naszego Słońca i wszystkie gwiazdy do wewnątrz z tego promienia, prawda? Czy to była sfera wizualna rozpoczęcia poszukiwań?
Margaret Turnbull (MT): Istnieje około 2350 gwiazd Hipparca w ciągu 30 parseków (90 światła
lat), maksymalna odległość dla misji Terrestrial Planet Finder (TPF). W tej odległości znajduje się około 5000 gwiazd, ale patrzymy tylko na gwiazdy Hipparcos, więc moja lista początkowa ma 2350 gwiazd.
JESTEM: Czy kiedykolwiek zdarzyło Ci się zdobyć teleskop przydomowy, aby zobaczyć 37 klejnotów?
MT: Z pewnością powinien być widoczny za pomocą teleskopu przydomowego, ale nie, nie patrzyłem na to na własne oczy! Z powodu fotometrii (mierząc jej jasność) i spektroskopii (mierząc jej skład), na które patrzyłem, czuję się, jakbym „wiedział”, że go nigdy nie widziałem.
Jednak 37 klejnotów wymaga jeszcze większej obserwacji. Na przykład musimy wykonać obrazowanie tej gwiazdy w podczerwieni w wysokiej rozdzielczości, zanim będziemy mogli powiedzieć, że powinien to być cel - jeśli odkryjemy, że wokół unosi się dużo śmieci, musimy usunąć go z listy.
JESTEM: Czy gwiazda, 37 Klejnotów, znacznie różniła się od numeru dwa na liście trzydziestu najlepszych kandydatów?
MT: W rzeczywistości „najlepsze” gwiazdy są do siebie bardzo podobne, aw rzeczywistości nie ma sensu próbować ich klasyfikować. 37 Klejnot jest jedną z najbliższych gwiazd, która spełnia również kryteria inżynieryjne, więc w tej chwili wygląda na bardzo dobrego kandydata do poszukiwań TPF.
JESTEM: Co z ciekawości, która gwiazda oficjalnie znalazła się na drugim miejscu na liście?
MT: Kiedy patrzysz tylko na trzydzieści gwiazd, wszystkie lepiej być „numerem jeden”. Oznacza to, że każda obserwowana przez nas gwiazda musi być głównym przedmiotem misji, ponieważ nie mamy czasu do stracenia. Nadal jesteśmy w trakcie precyzyjnego określania głównego celu misji.
Jeśli celem jest przyjrzenie się zakresowi typów widmowych, wówczas najlepsze gwiazdy mogą obejmować bardzo pobliskie gwiazdy K lub M, ale jeśli celem jest spojrzenie na 30 najbardziej podobnych do Słońca gwiazd, to gwiazdy takie jak 18 Sco (słoneczna twin w 14 parsekach w Constellation Scorpius), beta CVn („ogar”) lub 51 Peg („Pegasus”, latający koń) mogą w końcu być naszymi najlepszymi zakładami.
JESTEM: Czy brakuje jednej lub dwóch brakujących danych, które mogłyby pomóc w udoskonaleniu klasyfikacji kandydatów na gwiazdy?
MT: W tej chwili obrazowanie w podczerwieni w wysokiej rozdzielczości to brakujący element danych, którego zdecydowanie potrzebujemy. Musimy wiedzieć, czy te gwiazdy mają zakurzone dyski ze szczątków, które utrudniają wykrycie krążących wokół nich planet.
Słońce ma znaczną ilość pyłu zodiakalnego, ponieważ Jowisz stale miesza pas asteroid, a gdy asteroidy zderzają się, dodają pył do Układu Słonecznego.
Podobny poziom pyłu wokół innych gwiazd może nie zrujnować naszych szans na zobaczenie planet, ale z pewnością chcielibyśmy ograniczyć to do minimum.
JESTEM: Jakie są twoje przyszłe plany dotyczące gwiezdnej listy wspierającej misje Terrestrial Planet Finder i Darwin?
MT: Nie przedstawiłem jeszcze mojej „ostatecznej” listy naukowej grupie roboczej TPF w dniach 18 i 19 listopada w Obserwatorium Marynarki Wojennej USA podczas spotkania z innymi, którzy tworzą własne listy.
Przedstawiłem już moją metodologię grupie, ale teraz spotkamy się z inżynierami, którzy wyjaśnią nam ograniczenia instrumentu i będziemy musieli dopracować listę, aby dostosować się do ich kryteriów.
Kryteria te obejmują między innymi: nie mogą mieć gwiazdy towarzyszącej w ciągu kilku sekund łukowych, nawet jeśli towarzysz nie ma wpływu na stabilność planety, ponieważ dodatkowe światło zanieczyści pole widzenia; nie może patrzeć na gwiazdy słabsze niż około 6 jasności; może patrzeć na gwiazdy co najmniej ~ 60 stopni od Słońca przez cały rok itp.
JESTEM: W sierpniu tego roku opublikowałeś swój pierwszy katalog gwiazd nadających się do zamieszkania, a część ta obejmuje drugą część. Jakie są główne plany dotyczące części II HabCat?
MT: Jill Tarter i ja niedawno przesłaliśmy drugi artykuł na liście celów SETI, który pojawi się w Astrophysical Journal Supplements w grudniu. Ten artykuł zawiera listę starych, gromad otwartych o dużej metaliczności, najbliższych 100 gwiazd niezależnie od typu gwiezdnego oraz około 250 000 gwiazd głównych sekwencji z katalogu Tycho, z których wszystkie będą obserwowane przez Allen Telescope Array (ATA) za każdym razem, gdy HabCat gwiazda nie jest dla nas dostępna.
Główna wiązka ATA zostanie skierowana przez radioastronomów, a oni będą tworzyć mapy własnych celów o bardzo wysokiej rozdzielczości, podczas gdy w tym samym czasie będziemy obserwować gwiazdy HabCat (lub gwiazdy z naszych list w Paper 2) dla SETI.
JESTEM: Na koniec, czy misje, Kepler i TPF, planują rodzaje ulepszeń, które umożliwiłyby wykrycie większej liczby planet Ziemi, a nie tylko gazowych gigantów, dla danej gwiazdy w ich badaniach?
MT: Tak. Kepler da nam wskazanie, jak popularne są planety ziemskie, obserwując tysiące gwiazd podobnych do Słońca pod kątem „tranzytów” - wydarzeń, w których planeta faktycznie przechodzi przed gwiazdą, na której krąży, i chwilowo blokuje trochę światła gwiazdy.
Terrestrial Planet Finder podąży za tym, obrazując planety krążące wokół najbliższych gwiazd i mówiąc nam, czy planety te mają atmosfery.
Możemy szukać wody, tlenu i dwutlenku węgla, a jeśli będziemy mieli szczęście, możemy nawet zobaczyć pewne bezpośrednie oznaki życia w postaci charakterystycznej roślinności lub silnej nierównowagi atmosferycznej, takie jak jednoczesna obecność tlenu i metanu (z powodu do jednoczesnej obecności roślin i bakterii metanogennych na Ziemi).
Co dalej
Każda misja polegająca na wykrywaniu i charakteryzowaniu spektroskopowym planet ziemnych wokół innych gwiazd musi być zaprojektowana w taki sposób, aby mogła wykrywać różne typy planet ziemnych z przydatnym rezultatem. Takie misje są obecnie badane - Terrestrial Planet Finder (TPF), NASA i Darwin przez ESA, Europejska Agencja Kosmiczna. Głównym celem TPF / Darwin jest dostarczenie danych biologom i chemikom atmosferycznym.
Koncepcja TPF / Darwin opiera się na założeniu, że można skanować planety pozasłoneczne pod kątem możliwości zamieszkiwania spektroskopowo. Aby takie założenie było ważne, musimy odpowiedzieć na następujące pytania. Co sprawia, że planeta nadaje się do zamieszkania i jak można ją badać zdalnie? Jakie są różnorodne skutki, jakie biota może wywierać na widma atmosfer planetarnych? Jakich fałszywych wyników możemy się spodziewać? Jakie są prawdopodobnie ewolucyjne historie atmosfer? A zwłaszcza jakie są solidne wskaźniki życia?
TPF / Darwin musi zbadać pobliskie gwiazdy pod kątem układów planetarnych, które obejmują planety o rozmiarach lądowych w ich strefach zamieszkania (planety „podobne do Ziemi”). Poprzez spektroskopię TPF / Darwin musi ustalić, czy planety te mają atmosferę i ustalić, czy nadają się do zamieszkania.
Misja Keplera planowana jest również na orbitę słoneczną w październiku 2006 roku. Kepler ma na celu określenie częstotliwości planet wewnętrznych w pobliżu strefy zamieszkiwania szerokiego zakresu gwiazd. Kepler będzie jednocześnie obserwował 100 000 gwiazd w naszej galaktycznej „dzielnicy”, szukając planet wielkości Ziemi lub większych w „strefie nadającej się do zamieszkania” wokół każdej gwiazdy - niezbyt gorącej, niezbyt zimnej strefy, w której mogłaby istnieć ciekła woda planeta.
Aby podkreślić trudność w wykryciu planety wielkości Ziemi krążącej wokół odległej gwiazdy, główny badacz Keplera, William Borucki z NASA Ames, zaznacza, że zajęłoby 10 000 Ziem na pokrycie dysku Słońca. Według szacunków NASA Kepler powinien odkryć 50 planet naziemnych, jeśli większość z nich ma rozmiary zbliżone do Ziemi, 185 planet, jeśli większość jest o 30 procent większa od Ziemi, a 640, jeśli większość jest 2,2 razy większa od Ziemi. Ponadto oczekuje się, że Kepler znajdzie prawie 900 gigantycznych planet blisko swoich gwiazd i około 30 gigantów krążących w odległości podobnej do Jowisza od ich gwiazd macierzystych.
Ponieważ większość planet gigantów gazowych, które dotąd znalazły się na orbicie znacznie bliżej swoich gwiazd niż Jowisz, robi to w Słońcu, Borucki uważa, że podczas cztero- lub sześcioletniej misji Kepler znajdzie dużą część planet dość blisko gwiazd. Jeśli okaże się to prawdą, mówi: „Spodziewamy się znaleźć tysiące planet”.
Stosując obecne metody, astronomom trudno byłoby dzisiaj wykryć planetę wielkości Ziemi wokół gwiazdy 37 Gem. Wcześniejsze analizy wykluczyły jednak pewne możliwości. Na przykład, gigantyczna planeta, taka jak nasz Jowisz lub Saturn, nie krąży wokół 37 Klejnotów. Badania te sugerują, że gigantyczne planety o masie od jednej dziesiątej do dziesięciokrotnej masy Jowisza nie istnieją blisko 37 Klejnotów (w granicach 0,1 do czterech jednostek astronomicznych lub jednej odległości Ziemia-Słońce, AU, patrz także Cummings i in., 1999) . Ze względu na trudności ze znalezieniem słabych planet w pobliżu znacznie jaśniejszych gwiazd, prawie wszystkie znalezione do tej pory planety pozasłoneczne są podobne do naszego własnego Jowisza - masywne, prawdopodobnie gazowe i mało prawdopodobne, aby utrzymywały warunki życia ze względu na bliskość gwiazdy macierzystej .
Ale warunki wokół 37 Klejnotów mogą wspierać mniejsze, wewnętrzne planety, takie jak Wenus lub Ziemia. Nikt nie wie. Tylko przyszłe badania będą miały oprzyrządowanie zdolne do znalezienia planet podobnych do Ziemi.
Modele gwiazd takich jak 37 Gem wspierają jednak możliwe istnienie co najmniej jednej stabilnej orbity dla planety podobnej do Ziemi (z ciekłą wodą) skupionej wokół jednej odległości Ziemia-Słońce (1,12 AU). Taka domniemana planeta krąży między odległościami Ziemi i Marsa w naszym Układzie Słonecznym. Ta nieodkryta planeta, jeśli można ją wykryć w przyszłych badaniach, miałaby rok, który trwa dłużej niż 450 dni, lub okres orbitalny około 1,3 ziemskiego roku.
Ponieważ życie na Ziemi przez wytwarzanie tlenu zajęło około dwóch miliardów lat, gwiazdy znacznie młodsze od tego prawdopodobnie nie miałyby wystarczająco dużo czasu, aby życie ewoluowało w kierunku jakichkolwiek złożonych form. Biorąc pod uwagę miliardy lat potrzebne do ewolucji życia na Ziemi, naukowcy mogliby zapytać, czy życie będzie miało szansę w krótkotrwałym układzie słonecznym. Cieplejsze, masywniejsze gwiazdy zawsze były uważane za mniej podatne na schronienie życia, ale nie dlatego, że byłyby zbyt gorące. Planety mogą nadal cieszyć się klimatem umiarkowanym, nieco dalej niż Ziemia od Słońca i na orbitach dalej od własnej gwiazdy macierzystej. Pierwszy problem zamieszkiwania dotyczy czasu, a nie temperatury. Cieplejsze gwiazdy wypalają się szybciej - być może zbyt szybko, by życie mogło się tam rozwinąć.
Oryginalne źródło: Astrobiology Magazine
