Когда дело доходит до поиска внеземной жизни, ученые имеют тенденцию быть немного геоцентрическими - то есть они ищут планеты, которые напоминают нашу собственную. Это понятно, поскольку Земля - единственная известная нам планета, которая поддерживает жизнь. В результате, те, кто ищет внеземную жизнь, искали планеты, которые имеют земную (скалистую) природу, вращаются в пределах обитаемых ими звезд и имеют достаточно воды на своих поверхностях.
В ходе открытия нескольких тысяч экзопланет ученые обнаружили, что многие из них на самом деле могут быть «водными мирами» (планетами, где до 50% их массы составляет вода). Это, естественно, вызывает некоторые вопросы, например, сколько воды слишком много, и может ли проблема слишком большого количества земли быть проблемой? Для решения этой проблемы пара исследователей из Гарвардского Смитсоновского центра астрофизики (CfA) провела исследование, чтобы определить, как соотношение между массой воды и земли может способствовать жизни.
Исследование «Зависимость биологической активности от доли поверхностных вод планет», которое рассматривается для публикации в Астрономический журнал- автором статьи является Манасви Лингам, научный сотрудник Института теории и вычислений CfA (ITC), и Абрахам Леб - директор ITC и заведующий кафедрой наук Фрэнка Б. Байрда-младшего в Гарвардском университете.
Для начала, Лингам и Леб рассматривают вопрос об антропном принципе, который сыграл важную роль в астрономии и исследованиях экзопланет. Короче говоря, этот принцип гласит, что если условия на Земле подходят для жизни, то она должна существовать ради создания жизни. Распространенный на всю Вселенную, этот принцип утверждает, что законы физики существуют так же, как и ради рождения жизни.
Еще один способ взглянуть на это - рассмотреть, как наши оценки Земли попадают в так называемые «эффекты выбора наблюдений» - где результаты напрямую зависят от типа используемого метода. В этом случае последствия возникают из-за того, что наш поиск жизни за пределами Земли и нашей Солнечной системы требует наличия должным образом расположенного наблюдателя.
По сути, мы склонны считать, что условия для жизни будут многочисленными во Вселенной, потому что мы знакомы с ними. Это обусловливает наличие как жидкой воды, так и сухопутных масс, которые были необходимы для возникновения жизни, какой мы ее знаем. Как Lingam объяснил Space Magazine по электронной почте, это один из способов, с помощью которых возникает антропный принцип при поиске потенциально обитаемых планет:
«Тот факт, что земные и водные фракции Земли сопоставимы, свидетельствует об эффектах антропного отбора, то есть появлению людей (или аналогичных сознательных наблюдателей), возможно, способствовало подходящее сочетание земли и воды».
Однако при рассмотрении многих суперземлей, которые были обнаружены в других звездных системах, статистический анализ их средней плотности показал, что большинство из них имеют высокие доли летучих веществ. Хорошим примером этого является система TRAPPIST-1, где теоретическое моделирование семи ее планет размером с Землю показало, что они могут составлять до 40-50% воды по весу.
Следовательно, эти «водные миры» будут иметь очень глубокие океаны и не иметь суши, о которых можно было бы говорить, что может иметь радикальные последствия для возникновения жизни. В то же время планеты, на поверхности которых практически нет воды, не считаются хорошими кандидатами для жизни, учитывая, насколько вода необходима для жизни, как мы ее знаем.
«Слишком большая масса суши - это проблема, так как она ограничивает количество поверхностных вод, тем самым делая большинство континентов очень засушливыми», - сказал Лингам. «Для засушливых экосистем характерны низкие показатели производства биомассы на Земле. Вместо этого, если рассматривать противоположный сценарий (т. Е. В основном океаны), он сталкивается с потенциальной проблемой с наличием фосфора, который является одним из важнейших элементов для жизни, какой мы ее знаем. Следовательно, это может привести к узкому месту в количестве биомассы ».
Чтобы воспользоваться этими возможностями, Лингам и Леоб проанализировали, как планеты с слишком большим количеством воды или суши могут повлиять на развитие биосфер экзопланет. Как объяснил Лингам:
«Мы разработали простую модель для оценки того, какая часть земли будет засушливой (то есть пустыней) и относительно необитаемой. Для сценария с биосферой, в которой преобладает вода, доступность фосфора становится ограничивающим фактором. Здесь мы использовали модель, разработанную в одной из наших ранних работ, которая учитывает источники и поглотители фосфора. Мы объединили эти два случая, использовали данные с Земли в качестве эталона и таким образом определили, как свойства общей биосферы будут зависеть от количества земли и воды ».
Они обнаружили, что тщательный баланс между сушей и океанами (очень похожий на то, что мы имеем здесь, на Земле) имеет решающее значение для появления сложных биосфер. В сочетании с численным моделированием, выполненным другими исследователями, исследование Лингама и Лоэба показывает, что планеты, подобные Земле, с ее отношением океанов к суше (примерно 30:70) - вероятно, довольно редки. Как подытожил Лингам:
«Таким образом, основной вывод заключается в том, что баланс земной и водной фракций не может быть слишком сильно наклонен так или иначе. Наша работа также показывает, что важные эволюционные события, такие как повышение уровня кислорода и появление технологических видов, могут быть затронуты фракцией суши и воды, и что оптимальное значение может быть близко к земному ».
Некоторое время астрономы искали экзопланеты, где преобладают земные условия. Это известно как подход «низко висящие фрукты», где мы пытаемся найти жизнь, ища биосигнатуры, которые мы связываем с жизнью, какой мы ее знаем. Но согласно этому последнему исследованию, поиск таких мест может быть похож на поиск алмазов в алмазном сырье.
Выводы исследования могут также иметь важные последствия, когда речь идет о поиске внеземного интеллекта, что указывает на то, что оно также является довольно редким явлением. К счастью, Лингам и Леб признают, что недостаточно известно об экзопланетах и их соотношении воды к суше, чтобы что-либо сказать окончательно.
«Однако невозможно предсказать, как это определенным образом повлияет на SETI», - сказал Лингам. «Это связано с тем, что у нас еще нет надлежащих ограничений для наблюдений в отношении фракций экзопланет на суше и воде, и в наших нынешних знаниях о том, как развивались технологические виды (способные участвовать в SETI), еще много неизвестных».
В конце концов, мы должны набраться терпения и ждать, пока астрономы узнают больше о планетах вне Солнца и их окружении. Это станет возможным в ближайшие годы благодаря телескопам следующего поколения. К ним относятся наземные телескопы, такие как ESO Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT) и космические телескопы, такие как Космический телескоп Джеймса Вебба (JWST) - которые планируется начать операции в 2024 и 2021 годах.
С улучшением технологии и тысяч экзопланет, доступных для изучения, астрономы начали переходить от процесса открытия к характеристике. В ближайшие годы то, что мы узнаем об атмосферах экзопланет, будет иметь большое значение для доказательства или опровержения наших теоретических моделей, надежд и ожиданий. Со временем мы, наконец, сможем определить, насколько обильна жизнь в нашей Вселенной и какие формы она может принимать.
