Möjligheten till liv på vattenplaneter

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

De flesta planeter vi känner till är större i massa än jorden, men mindre än Saturnus. Oftast finns bland dem "mini-neptunes" och "super-jordar" - föremål som är ett par gånger mer massiva än vår planet. De senaste årens upptäckter ger allt fler skäl att tro att superjordar är planeter vars sammansättning skiljer sig mycket från vår. Dessutom visade det sig att de jordiska planeterna i andra system sannolikt kommer att skilja sig från jorden i mycket rikare lätta element och föreningar, inklusive vatten. Och det är en bra anledning att undra hur passform de är för livet.

De ovannämnda skillnaderna mellan ex-jorden och jorden förklaras av det faktum att tre fjärdedelar av alla stjärnor i universum är röda dvärgar, ljuskällor som är mycket mindre massiva än solen. Observationer visar att planeterna runt dem ofta befinner sig i den beboeliga zonen – det vill säga där de får ungefär samma energi från sin stjärna som jorden från solen. Dessutom finns det ofta extremt många planeter i den beboeliga zonen för röda dvärgar: i "Goldilocks-bältet" av TRAPPIST-1-stjärnan, till exempel, finns det tre planeter samtidigt.

Och det här är väldigt konstigt. Den beboeliga zonen för röda dvärgar ligger i miljontals kilometer från stjärnan, och inte 150-225 miljoner, som i solsystemet. Samtidigt kan flera planeter på en gång inte bildas på miljontals kilometer från sin stjärna - storleken på dess protoplanetära skiva tillåter inte. Ja, en röd dvärg har det mindre än en gul, som vår sol, men inte hundra eller ens femtio gånger.

Situationen kompliceras ytterligare av att astronomer har lärt sig att mer eller mindre exakt "väga" planeter i avlägsna stjärnor. Och sedan visade det sig att om vi relaterar deras massa och storlek, visar det sig att densiteten hos sådana planeter är två eller till och med tre gånger mindre än jordens. Och detta är i princip omöjligt om dessa planeter bildades miljontals kilometer från deras stjärna. För med ett så nära arrangemang borde strålningen från armaturen bokstavligen trycka huvuddelen av ljuselementen utåt.

Det är precis vad som hände i till exempel solsystemet. Låt oss ta en titt på jorden: den bildades i den beboeliga zonen, men vatten i dess massa är inte mer än en tusendel. Om tätheten av ett antal världar hos röda dvärgar är två till tre gånger lägre, så är vattnet där inte mindre än 10 procent, eller till och med mer. Det vill säga hundra gånger mer än på jorden. Följaktligen bildades de utanför den beboeliga zonen och vandrade först därefter dit. Det är lätt för stjärnstrålning att beröva lätta element från zonerna på den protoplanetära skivan nära armaturen. Men det är mycket svårare att beröva en färdig planet som har migrerat från den avlägsna delen av den protoplanetära skivan av lätta element - de nedre lagren där skyddas av de övre. Och vattenförlusten är oundvikligen ganska långsam. En typisk superjord i den beboeliga zonen kommer inte att kunna förlora ens hälften av sitt vatten, och under hela existensen av till exempel solsystemet.

Så de mest massiva stjärnorna i universum har ofta planeter där det finns mycket vatten. Detta betyder troligen att det finns mycket fler sådana planeter än som jorden. Därför skulle det vara bra att ta reda på om det på sådana platser finns en möjlighet för uppkomsten och utvecklingen av komplext liv.

Behöver mer mineraler

Och det är här de stora problemen börjar. Det finns inga nära analoger till superjordar med en stor mängd vatten i solsystemet, och i avsaknad av exempel tillgängliga för observation har planetforskare bokstavligen ingenting att utgå ifrån. Vi måste titta på fasdiagrammet för vattnet och ta reda på vilka parametrar som kommer att vara för olika lager av oceanidplaneterna.

Fasdiagram över vattnets tillstånd. Ismodifikationer indikeras med romerska siffror. Nästan all is på jorden tillhör grupp I_h, och en mycket liten del (i den övre atmosfären) - till I_c… Bild: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Det visar sig att om det finns 540 gånger mer vatten på en planet av jordens storlek än här, kommer den att vara helt täckt av ett hav som är mer än hundra kilometer djupt. På botten av sådana hav kommer trycket att vara så stort att is av en sådan fas kommer att börja bildas där, som förblir fast även vid mycket höga temperaturer, eftersom vattnet hålls fast av det enorma trycket.

Om planethavets botten är täckt med ett tjockt lager av is, kommer flytande vatten att berövas kontakt med fasta silikatstenar. Utan sådan kontakt har mineralerna i den faktiskt ingenstans att komma ifrån. Vad värre är, kolkretsloppet kommer att störas.

Låt oss börja med mineraler. Utan fosfor kan livet - i de former som vi känner till - inte vara, för utan det finns inga nukleotider och följaktligen inget DNA. Det blir svårt utan kalcium – till exempel är våra ben uppbyggda av hydroxylapatit, som inte klarar sig utan fosfor och kalcium. Problem med tillgången på vissa grundämnen uppstår ibland på jorden. Till exempel, i Australien och Nordamerika på ett antal orter var det en onormalt lång frånvaro av vulkanisk aktivitet och i jordar på vissa ställen finns det en allvarlig brist på selen (det är en del av en av aminosyrorna, nödvändig för livet). Av detta har kor, får och getter brist på selen, och ibland leder detta till att boskap dör (tillsatsen av selenit till boskapsfoder i USA och Kanada är till och med reglerat i lag).

Vissa forskare föreslår att den blotta faktorn för tillgången på mineraler borde göra oceanerna-planeterna till verkliga biologiska öknar, där liv, om det finns, är extremt sällsynt. Och vi pratar helt enkelt inte om riktigt komplexa former.

Trasig luftkonditionering

Förutom mineralbrister har teoretiker upptäckt ett andra potentiellt problem med planeter-hav - kanske ännu viktigare än det första. Vi pratar om fel i kolkretsloppet. På vår planet är han huvudorsaken till att det finns ett relativt stabilt klimat. Principen för kolcykeln är enkel: när planeten blir för kall, saktar absorptionen av koldioxid av stenarna ner kraftigt (processen för sådan absorption fortskrider snabbt endast i en varm miljö). Samtidigt går "tillförseln" av koldioxid med vulkanutbrott i samma takt. När gasbindningen minskar och tillgången inte minskar, stiger CO₂-koncentrationen naturligt. Planeterna, som ni vet, befinner sig i det interplanetära rymdens vakuum, och det enda betydande sättet för värmeförlust för dem är dess strålning i form av infraröda vågor. Koldioxid absorberar sådan strålning från planetens yta, varför atmosfären värms upp något. Detta förångar vattenånga från havens vattenyta, som också absorberar infraröd strålning (en annan växthusgas). Som ett resultat är det CO₂ som fungerar som den huvudsakliga initiatorn i processen att värma planeten.

Det är denna mekanism som leder till att glaciärer på jorden tar slut förr eller senare. Han tillåter inte heller att det överhettas: vid alltför höga temperaturer binds koldioxid snabbare av stenar, varefter de, på grund av tektoniken hos jordskorpans plattor, gradvis sjunker in i manteln. CO-nivå₂faller och klimatet blir svalare.

Vikten av denna mekanism för vår planet kan knappast överskattas. Föreställ dig för en sekund ett haveri av en kolluftkonditioneringsanläggning: säg, vulkaner har slutat att utbryta och levererar inte längre koldioxid från jordens tarmar, som en gång sänkte sig dit med gamla kontinentalplattor. Den allra första glaciationen kommer bokstavligen att bli evig, för ju mer is på planeten, desto mer solstrålning reflekterar den ut i rymden. Och en ny del av CO₂ kommer inte att kunna frysa upp planeten: den kommer inte ha någonstans att komma ifrån.

Det är precis så, i teorin, det borde vara på planeterna-haven. Även om vulkanisk aktivitet ibland kan bryta igenom skalet av exotisk is på botten av planethavet, finns det lite bra med det. På havsvärldens yta finns det helt enkelt inga stenar som kan binda överskott av koldioxid. Det vill säga att dess okontrollerade ackumulering kan börja och följaktligen överhettning av planeten.

Något liknande - sant, utan något planetariskt hav - hände på Venus. Det finns ingen plattektonik på denna planet heller, även om varför detta hände är inte riktigt känt. Därför sätter vulkanutbrott där, som ibland bryter igenom genom jordskorpan, mycket koldioxid i atmosfären, men ytan kan inte binda den: kontinentalplattor sjunker inte ner och nya reser sig inte upp. Därför har ytan på de befintliga plattorna redan bundit all CO₂, som kunde och inte kan absorbera mer, och det är så varmt på Venus att bly alltid kommer att förbli en vätska där. Och detta trots att, enligt modellering, med jordens atmosfär och kolcykel, skulle denna planet vara en beboelig tvilling av jorden.

Finns det liv utan luftkonditionering?

Kritiker av "terrestrisk chauvinism" (positionen att liv är möjligt endast på "kopior av jorden", planeter med strikt jordiska förhållanden) ställde omedelbart frågan: varför, i själva verket, bestämde alla att mineraler inte skulle kunna bryta igenom en lager av exotisk is? Ju starkare och mer ogenomträngligt locket är över något varmt, desto mer energi samlas under det, som tenderar att bryta ut. Här är samma Venus - plattektonik verkar inte existera, och koldioxid flydde från djupet i sådana mängder att det inte finns något liv från den i ordets bokstavliga bemärkelse. Följaktligen är detsamma möjligt med avlägsnande av mineraler uppåt - fasta bergarter under vulkanutbrott faller helt uppåt.

Ändå kvarstår ett annat problem - den "trasiga luftkonditioneringen" i kolcykeln. Kan en havsplanet vara beboelig utan den?

Det finns många kroppar i solsystemet där koldioxid inte alls spelar rollen som huvudregulator av klimatet. Här är, säg, Titan, en stor måne av Saturnus.

Titan. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, University of Nantes, Virginia Pasek, University of Arizona

Kroppen är försumbar i jämförelse med jordens massa. Men det bildades långt från solen, och strålningen från armaturen "avdunstade" inte de lätta elementen, inklusive kväve. Detta ger Titan en atmosfär av nästan rent kväve, samma gas som dominerar vår planet. Men tätheten av dess kväveatmosfär är fyra gånger så stor som vår - med gravitationen är den sju gånger svagare.

Vid första anblicken av Titans klimat finns det en stadig känsla av att den är extremt stabil, även om det inte finns någon "kol" luftkonditionering i sin direkta form. Det räcker med att säga att temperaturskillnaden mellan polen och Titans ekvator bara är tre grader. Om situationen var densamma på jorden skulle planeten vara mycket jämnare befolkad och generellt sett mer lämpad för liv.

Dessutom har beräkningar av ett antal vetenskapliga grupper visat: med en atmosfärstäthet som är fem gånger högre än jordens, det vill säga en fjärdedel högre än på Titan, räcker till och med växthuseffekten av enbart kväve för att temperaturfluktuationerna ska minska. till nästan noll. På en sådan planet, dag och natt, både vid ekvatorn och vid polen, skulle temperaturen alltid vara densamma. Jordelivet kan bara drömma om en sådan sak.

Planeter-hav när det gäller deras densitet är precis på nivån med Titan (1, 88 g / cm ³), och inte jorden (5, 51 g / cm ³). Låt oss säga att tre planeter i TRAPPIST-1 beboeliga zon 40 ljusår från oss har en densitet från 1,71 till 2,18 g / cm³. Med andra ord, troligtvis har sådana planeter mer än tillräcklig täthet av kväveatmosfär för att ha ett stabilt klimat på grund av enbart kväve. Koldioxid kan inte förvandla dem till glödheta Venus, eftersom en riktigt stor vattenmassa kan binda mycket koldioxid även utan plattektonik (koldioxid absorberas av vatten, och ju högre tryck desto mer kan den innehålla den).

Djuphavsöknar

Med hypotetiska utomjordiska bakterier och arkéer verkar allt vara enkelt: de kan leva under mycket svåra förhållanden och för detta behöver de inte ett överflöd av många kemiska element alls. Det är svårare med växter och ett mycket organiserat liv som lever på deras bekostnad.

Så, havsplaneter kan ha ett stabilt klimat - mycket troligt mer stabilt än vad jorden har. Det är också möjligt att det finns en märkbar mängd mineraler lösta i vatten. Och ändå, livet där är inte alls fastelavn.

Låt oss ta en titt på jorden. Förutom de senaste miljonerna åren är dess land extremt grönt, nästan utan bruna eller gula fläckar av öknar. Men havet ser inte alls grönt ut, förutom vissa smala kustzoner. Varför är det så?

Saken är den att på vår planet är havet en biologisk öken. Livet kräver koldioxid: det "bygger" växtbiomassa och endast från den kan animalisk biomassa matas. Om det finns CO i luften omkring oss₂ mer än 400 ppm som det är nu, växtligheten blommar. Om det var mindre än 150 delar per miljon skulle alla träd dö (och detta kan hända om en miljard år). Med mindre än 10 delar CO₂ per miljon skulle alla växter dö i allmänhet, och med dem alla riktigt komplexa livsformer.

Vid första anblicken borde detta betyda att havet är en riktig vidd för livet. Jordens hav innehåller faktiskt hundra gånger mer koldioxid än atmosfären. Därför bör det finnas mycket byggmaterial för växter.

Faktum är att ingenting är längre ifrån sanningen. Vattnet i jordens hav är 1,35 kvintiljoner (miljarder miljarder) ton, och atmosfären är drygt fem kvadrilljoner (miljoner miljarder) ton. Det vill säga att det finns märkbart mindre CO i ett ton vatten.₂än ett ton luft. Vattenväxter i jordens hav har nästan alltid mycket mindre CO₂ till deras förfogande än markbundna.

För att göra saken värre har vattenväxter bara en bra ämnesomsättning i varmt vatten. Nämligen i den, CO₂ minst av allt eftersom dess löslighet i vatten minskar med ökande temperaturer. Därför existerar alger - i jämförelse med landväxter - under förhållanden med konstant kolossal CO-brist.₂.

Det är därför som forskarnas försök att beräkna biomassan för landlevande organismer visar att havet, som upptar två tredjedelar av planeten, ger ett obetydligt bidrag till den totala biomassan. Om vi tar den totala massan av kol - nyckelmaterialet i den torra massan av alla levande varelser - invånarna i landet, så är det lika med 544 miljarder ton. Och i kropparna hos invånarna i haven och haven - bara sex miljarder ton, smulor från mästarens bord, lite mer än en procent.

Allt detta kan leda till åsikten att även om liv på planeterna-haven är möjligt, kommer det att vara väldigt, väldigt fult. Jordens biomassa, om den var täckt av ett hav, allt annat lika, skulle vara, uttryckt i torrt kol, endast 10 miljarder ton - femtio gånger mindre än den är nu.

Men även här är det för tidigt att sätta stopp för vattenvärldarna. Faktum är att redan vid ett tryck på två atmosfärer är mängden CO₂, som kan lösas upp i havsvatten, mer än fördubblas (för en temperatur på 25 grader). Med atmosfärer fyra till fem gånger tätare än jordens - och det är precis vad du kan förvänta dig på planeter som TRAPPIST-1e, g och f - kan det finnas så mycket koldioxid i vattnet att vattnet i de lokala haven börjar närma sig jordens luft. Med andra ord, vattenväxter på planeter och hav befinner sig i mycket bättre förhållanden än på vår planet. Och där det finns mer grön biomassa, och djur har en bättre matbas. Det vill säga, till skillnad från jorden, kanske planeternas hav inte är öknar, utan livets oaser.

Sargasso-planeter

Men vad ska man göra om havsplaneten, på grund av ett missförstånd, fortfarande har jordens atmosfärstäthet? Och allt är inte så illa här. På jorden tenderar alger att fästa sig på botten, men där det inte finns förutsättningar för detta visar det sig att vattenväxter kan simma.

Vissa av sargassumalgerna använder luftfyllda säckar (de liknar druvor, därav det portugisiska ordet "sargasso" i Sargassohavets namn) för att ge flytkraft, och i teorin låter detta dig ta CO₂ från luft, och inte från vatten, där det är ont om. På grund av deras flytkraft är det lättare för dem att göra fotosyntes. Det är sant att sådana alger förökar sig bra endast vid ganska höga vattentemperaturer, och därför är de på jorden relativt bra bara på vissa platser, som Sargassohavet, där vattnet är mycket varmt. Om havsplaneten är tillräckligt varm är inte ens jordens atmosfäriska densitet ett oöverstigligt hinder för marina växter. De kan mycket väl ta CO₂ från atmosfären och undviker problemen med låg koldioxidhalt i varmt vatten.

Sargasso-alger. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Intressant nog ger flytande alger i samma Sargassohav upphov till ett helt flytande ekosystem, ungefär som ett "flytande land". Där lever krabbor, för vilka algernas flytkraft är tillräckligt för att röra sig på deras yta som om det vore land. Teoretiskt, i lugna områden på havsplaneten, kan flytande grupper av havsväxter utveckla ganska "land" liv, även om du inte kommer att hitta land själv där.

Kontrollera ditt privilegium, jordbo

Problemet med att identifiera de mest lovande platserna för sökandet efter liv är att vi hittills har lite data som skulle tillåta oss att peka ut de mest troliga bärarna av liv bland kandidatplaneterna. I sig är begreppet "beboelig zon" inte den bästa assistenten här. I den anses de planeterna vara lämpliga för liv som får från sin stjärna en tillräcklig mängd energi för att stödja vätskereservoarer åtminstone på en del av deras yta. I solsystemet är både Mars och jorden i den beboeliga zonen, men vid det första komplexa livet på ytan är på något sätt omärkligt.

Främst för att detta inte är samma värld som jorden, med en fundamentalt annorlunda atmosfär och hydrosfär. Linjär representation i stil med "planethavet är jorden, men bara täckt av vatten" kan leda oss in i samma villfarelse som i början av 1900-talet fanns om Mars lämplighet för liv. Verkliga oceanider kan skilja sig kraftigt från vår planet - de har en helt annan atmosfär, olika klimatstabiliseringsmekanismer och till och med olika mekanismer för att förse marina växter med koldioxid.

En detaljerad förståelse av hur vattenvärldarna faktiskt fungerar gör att vi i förväg kan förstå vad den beboeliga zonen kommer att vara för dem, och därigenom snabbt närma oss detaljerade observationer av sådana planeter i James Webb och andra lovande stora teleskop.

Sammanfattningsvis kan man inte annat än att erkänna att våra idéer om vilka världar som verkligen är bebodda och vilka som inte är det, tills helt nyligen led alltför mycket av antropocentrism och geocentrism. Och, som det nu visar sig, från "sushcentrism" - åsikten att om vi själva uppstod på land, så är det den viktigaste platsen i livets utveckling, och inte bara på vår planet, utan också i andra solar. Kanske kommer observationerna från de kommande åren inte att lämna en sten ovänd ur denna synvinkel.