Mundësia e jetës në planetët ujorë

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-16 16:16

Shumica e planetëve që njohim janë më të mëdhenj në masë se Toka, por më pak se Saturni. Më shpesh, midis tyre ka "mini-neptune" dhe "super-toka" - objekte disa herë më masive se planeti ynë. Zbulimet e viteve të fundit japin gjithnjë e më shumë bazë për të besuar se super-Tokat janë planetë, përbërja e të cilëve është shumë e ndryshme nga e jona. Për më tepër, doli se planetët tokësorë në sisteme të tjera ka të ngjarë të ndryshojnë nga Toka në elementë dhe komponime shumë më të pasura të dritës, duke përfshirë ujin. Dhe kjo është një arsye e mirë për të pyetur veten se sa të përshtatshëm janë për jetën.

Dallimet e lartpërmendura midis ish-tokës dhe Tokës shpjegohen me faktin se tre të katërtat e të gjithë yjeve në Univers janë xhuxhë të kuq, ndriçues shumë më pak masivë se Dielli. Vëzhgimet tregojnë se planetët rreth tyre janë shpesh në zonën e banueshme - domethënë, ku ata marrin pothuajse të njëjtën energji nga ylli i tyre si Toka nga Dielli. Për më tepër, shpesh ka jashtëzakonisht shumë planetë në zonën e banueshme të xhuxhëve të kuq: në "rripin Goldilocks" të yllit TRAPPIST-1, për shembull, ka tre planetë në të njëjtën kohë.

Dhe kjo është shumë e çuditshme. Zona e banueshme e xhuxhëve të kuq shtrihet në miliona kilometra larg yllit, dhe jo 150-225 milionë, si në sistemin diellor. Ndërkohë, disa planetë në të njëjtën kohë nuk mund të formohen në miliona kilometra nga ylli i tyre - madhësia e diskut protoplanetar nuk do të lejojë. Po, një xhuxh i kuq e ka më pak se një të verdhë, si Dielli ynë, por jo njëqind apo edhe pesëdhjetë herë.

Situata komplikohet edhe më shumë nga fakti se astronomët kanë mësuar të "peshojnë" pak a shumë saktë planetët në yje të largët. Dhe më pas doli që nëse lidhim masën dhe madhësinë e tyre, rezulton se dendësia e planetëve të tillë është dy apo edhe tre herë më e vogël se ajo e Tokës. Dhe kjo është, në parim, e pamundur nëse këta planetë do të formoheshin në miliona kilometra nga ylli i tyre. Sepse me një rregullim kaq të ngushtë, rrezatimi i ndriçuesit duhet të shtyjë fjalë për fjalë pjesën më të madhe të elementeve të dritës nga jashtë.

Kjo është pikërisht ajo që ndodhi në sistemin diellor, për shembull. Le t'i hedhim një sy Tokës: ajo u formua në zonën e banueshme, por uji në masën e tij nuk është më shumë se një e mijëta. Nëse dendësia e një numri botësh në xhuxhët e kuq është dy deri në tre herë më e ulët, atëherë uji atje nuk është më pak se 10 përqind, ose edhe më shumë. Kjo është, njëqind herë më shumë se në Tokë. Rrjedhimisht, ata u formuan jashtë zonës së banueshme dhe vetëm më pas migruan atje. Është e lehtë që rrezatimi yjor të privojë elementët e dritës nga zonat e diskut protoplanetar afër dritës. Por është shumë më e vështirë të privosh një planet të gatshëm që ka migruar nga pjesa e largët e diskut protoplanetar të elementëve të dritës - shtresat e poshtme atje mbrohen nga ato të sipërme. Dhe humbja e ujit është në mënyrë të pashmangshme mjaft e ngadaltë. Një super-tokë tipike në zonën e banueshme nuk do të jetë në gjendje të humbasë as gjysmën e ujit të saj, dhe gjatë gjithë ekzistencës, për shembull, të sistemit diellor.

Pra, yjet më masivë në Univers kanë shpesh planetë në të cilët ka shumë ujë. Kjo, ka shumë të ngjarë, do të thotë se ka shumë më tepër planetë të tillë sesa të tillë si Toka. Prandaj, do të ishte mirë të kuptonim nëse në vende të tilla ekziston mundësia e shfaqjes dhe zhvillimit të jetës komplekse.

Nevojë për më shumë minerale

Dhe këtu fillojnë problemet e mëdha. Nuk ka analoge të afërt të super-tokave me një sasi të madhe uji në sistemin diellor, dhe në mungesë të shembujve të disponueshëm për vëzhgim, shkencëtarët planetarë fjalë për fjalë nuk kanë asgjë për të filluar. Duhet të shohim diagramin fazor të ujit dhe të kuptojmë se cilat parametra do të jenë për shtresa të ndryshme të planetëve oqeanide.

Diagrami fazor i gjendjes së ujit. Modifikimet e akullit tregohen me numra romakë. Pothuajse i gjithë akulli në Tokë i përket grupit I_h, dhe një fraksion shumë i vogël (në atmosferën e sipërme) - në I_c… Imazhi: AdmiralHood / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Rezulton se nëse ka 540 herë më shumë ujë në një planet sa madhësia e Tokës sesa këtu, atëherë ai do të mbulohet plotësisht nga një oqean më shumë se njëqind kilometra i thellë. Në fund të oqeaneve të tillë, presioni do të jetë aq i madh sa do të fillojë të formohet akulli i një faze të tillë, i cili mbetet i ngurtë edhe në temperatura shumë të larta, pasi uji mbahet i ngurtë nga presioni i madh.

Nëse fundi i oqeanit planetar është i mbuluar me një shtresë të trashë akulli, uji i lëngshëm do të privohet nga kontakti me shkëmbinjtë e ngurtë silikat. Pa një kontakt të tillë, mineralet në të, në fakt, nuk do të kenë nga të vijnë. Më keq, cikli i karbonit do të ndërpritet.

Le të fillojmë me mineralet. Pa fosfor, jeta - në format e njohura për ne - nuk mund të jetë, sepse pa të nuk ka nukleotide dhe, në përputhje me rrethanat, nuk ka ADN. Do të jetë e vështirë pa kalcium - për shembull, kockat tona janë të përbëra nga hidroksilapatiti, i cili nuk mund të bëjë pa fosfor dhe kalcium. Problemet me disponueshmërinë e elementeve të caktuara ndonjëherë lindin në Tokë. Për shembull, në Australi dhe Amerikën e Veriut në një numër lokalitetesh ka pasur një mungesë anormalisht të gjatë të aktivitetit vullkanik dhe në tokë në disa vende ka mungesë të theksuar të selenit (ai është pjesë e një prej aminoacideve, të nevojshme për jetën). Nga kjo, lopët, delet dhe dhitë kanë mungesë të selenit, dhe ndonjëherë kjo çon në ngordhjen e bagëtive (shtimi i selenitit në ushqimin e bagëtive në Shtetet e Bashkuara dhe Kanada është madje i rregulluar me ligj).

Disa studiues sugjerojnë se thjesht faktori i disponueshmërisë së mineraleve duhet t'i bëjë oqeanet-planetet shkretëtira të vërteta biologjike, ku jeta, nëse ka, është jashtëzakonisht e rrallë. Dhe ne thjesht nuk po flasim për forma vërtet komplekse.

Kondicioner i prishur

Përveç mungesës së mineraleve, teoricienët kanë zbuluar një problem të dytë potencial të planetëve-oqeaneve - ndoshta edhe më i rëndësishëm se i pari. Po flasim për keqfunksionime në ciklin e karbonit. Në planetin tonë, ai është arsyeja kryesore për ekzistencën e një klime relativisht të qëndrueshme. Parimi i ciklit të karbonit është i thjeshtë: kur planeti bëhet shumë i ftohtë, thithja e dioksidit të karbonit nga shkëmbinjtë ngadalësohet ndjeshëm (procesi i një përthithjeje të tillë vazhdon shpejt vetëm në një mjedis të ngrohtë). Në të njëjtën kohë, "furnizimet" e dioksidit të karbonit me shpërthime vullkanike po ecin me të njëjtin ritëm. Kur lidhja e gazit zvogëlohet dhe furnizimi nuk zvogëlohet, përqendrimi i CO2 natyrisht rritet. Planetët, siç e dini, janë në vakum të hapësirës ndërplanetare dhe e vetmja mënyrë domethënëse e humbjes së nxehtësisë për ta është rrezatimi i tij në formën e valëve infra të kuqe. Dioksidi i karbonit thith një rrezatim të tillë nga sipërfaqja e planetit, kjo është arsyeja pse atmosfera është ngrohur pak. Kjo avullon avujt e ujit nga sipërfaqja ujore e oqeaneve, e cila gjithashtu thith rrezatimin infra të kuqe (një gaz tjetër serrë). Si rezultat, është CO₂ që vepron si iniciatori kryesor në procesin e ngrohjes së planetit.

Është ky mekanizëm që çon në faktin se akullnajat në Tokë përfundojnë herët a vonë. Ai gjithashtu nuk lejon që ajo të mbinxehet: në temperatura tepër të larta, dioksidi i karbonit lidhet më shpejt nga shkëmbinjtë, pas së cilës, për shkak të tektonikës së pllakave të kores së tokës, ato gradualisht zhyten në mantel. Niveli i CO₂bie dhe klima bëhet më e freskët.

Rëndësia e këtij mekanizmi për planetin tonë vështirë se mund të mbivlerësohet. Imagjinoni për një sekondë një prishje të një kondicioneri karboni: le të themi, vullkanet kanë pushuar së shpërthyeri dhe nuk nxjerrin më dioksid karboni nga zorrët e Tokës, e cila dikur zbriste atje me pllaka të vjetra kontinentale. Akullnaja e parë do të bëhet fjalë për fjalë e përjetshme, sepse sa më shumë akull në planet, aq më shumë rrezatim diellor reflekton në hapësirë. Dhe një pjesë e re e CO₂ nuk do të jetë në gjendje ta shkrijë planetin: nuk do të ketë nga të vijë.

Pikërisht kështu duhet të jetë teorikisht në planetet-oqeane. Edhe nëse aktiviteti vullkanik ndonjëherë mund të depërtojë përmes guaskës së akullit ekzotik në fund të oqeanit planetar, ka pak të mira për këtë. Në të vërtetë, në sipërfaqen e botës së detit, thjesht nuk ka shkëmbinj që mund të lidhin dioksidin e tepërt të karbonit. Kjo do të thotë, akumulimi i tij i pakontrolluar mund të fillojë dhe, në përputhje me rrethanat, mbinxehja e planetit.

Diçka e ngjashme - e vërtetë, pa asnjë oqean planetar - ndodhi në Venus. Nuk ka as tektonikë pllakash në këtë planet, edhe pse nuk dihet vërtet pse ndodhi kjo. Prandaj, shpërthimet vullkanike atje, duke depërtuar herë pas here përmes kores, hedhin shumë dioksid karboni në atmosferë, por sipërfaqja nuk mund ta lidhë atë: pllakat kontinentale nuk zhyten dhe ato të reja nuk ngrihen lart. Prandaj, sipërfaqja e pllakave ekzistuese ka lidhur tashmë të gjithë CO₂, e cila mund, dhe nuk mund të thithë më shumë, dhe është aq e nxehtë në Venus sa plumbi do të mbetet gjithmonë një lëng atje. Dhe kjo pavarësisht se, sipas modelimit, me atmosferën e Tokës dhe ciklin e karbonit, ky planet do të ishte një binjak i banueshëm i Tokës.

A ka jetë pa kondicioner?

Kritikët e "shovinizmit tokësor" (pozicioni se jeta është e mundur vetëm në "kopjet e Tokës", planetë me kushte strikte tokësore) shtruan menjëherë pyetjen: pse, në fakt, të gjithë vendosën që mineralet të mos ishin në gjendje të depërtojnë një shtresë akulli ekzotik? Sa më i fortë dhe më i padepërtueshëm të jetë kapaku mbi diçka të nxehtë, aq më shumë energji grumbullohet nën të, e cila tenton të shpërthejë. Këtu është e njëjta Venus - tektonika e pllakave duket se nuk ekziston, dhe dioksidi i karbonit u largua nga thellësitë në sasi të tilla që nuk ka jetë prej saj në kuptimin e mirëfilltë të fjalës. Rrjedhimisht, e njëjta gjë është e mundur me heqjen e mineraleve lart - shkëmbinjtë e ngurtë gjatë shpërthimeve vullkanike bien plotësisht lart.

Sidoqoftë, një problem tjetër mbetet - "kondicioneri i prishur" i ciklit të karbonit. A mund të jetë i banueshëm një planet i oqeanit pa të?

Ka shumë trupa në sistemin diellor, në të cilët dioksidi i karbonit nuk luan aspak rolin e rregullatorit kryesor të klimës. Këtu është, le të themi, Titan, një hënë e madhe e Saturnit.

Titanium. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Universiteti i Nantes, Virginia Pasek, Universiteti i Arizonës

Trupi është i papërfillshëm në krahasim me masën e Tokës. Sidoqoftë, ajo u formua larg Diellit dhe rrezatimi i dritës nuk "avulloi" prej tij elementët e dritës, përfshirë azotin. Kjo i jep Titanit një atmosferë me nitrogjen pothuajse të pastër, të njëjtin gaz që dominon planetin tonë. Por dendësia e atmosferës së saj të azotit është katër herë më e madhe se e jona - me gravitetin është shtatë herë më e dobët.

Në shikim të parë të klimës së Titanit, ekziston një ndjenjë e qëndrueshme se është jashtëzakonisht e qëndrueshme, megjithëse nuk ka një kondicioner "karbon" në formën e tij të drejtpërdrejtë. Mjafton të thuhet se diferenca e temperaturës midis polit dhe ekuatorit të Titanit është vetëm tre gradë. Nëse situata do të ishte e njëjtë në Tokë, planeti do të ishte shumë më i populluar në mënyrë të barabartë dhe përgjithësisht më i përshtatshëm për jetë.

Për më tepër, llogaritjet nga një numër grupesh shkencore kanë treguar: me një densitet atmosferik pesë herë më të lartë se ai i Tokës, domethënë një çerek më i lartë se në Titan, edhe efekti serë i vetëm i azotit është mjaft i mjaftueshëm që luhatjet e temperaturës të bien. pothuajse në zero. Në një planet të tillë, ditën dhe natën, si në ekuator ashtu edhe në pol, temperatura do të ishte gjithmonë e njëjtë. Jeta tokësore vetëm mund të ëndërrojë për një gjë të tillë.

Planetet-oqeanet për sa i përket densitetit të tyre janë vetëm në nivelin e Titanit (1,88 g / cm³), dhe jo në Tokë (5,51 g / cm³). Le të themi, tre planetë në zonën e banueshme TRAPPIST-1 40 vite dritë larg nesh kanë një densitet nga 1,71 në 2,18 g / cm³. Me fjalë të tjera, ka shumë të ngjarë, planetë të tillë kanë një densitet më shumë se të mjaftueshëm të atmosferës së azotit për të pasur një klimë të qëndrueshme vetëm për shkak të azotit. Dioksidi i karbonit nuk mund t'i kthejë ato në Venus të nxehtë, sepse një masë vërtet e madhe uji mund të lidhë shumë dioksid karboni edhe pa ndonjë tektonikë pllakash (dioksidi i karbonit absorbohet nga uji, dhe sa më i lartë presioni, aq më shumë mund ta përmbajë atë).

Shkretëtirat e detit të thellë

Me bakteret hipotetike jashtëtokësore dhe arkeat, gjithçka duket të jetë e thjeshtë: ata mund të jetojnë në kushte shumë të vështira dhe për këtë nuk kanë nevojë fare për një bollëk të shumë elementëve kimikë. Është më e vështirë me bimët dhe një jetë shumë të organizuar që jetohet në kurriz të tyre.

Pra, planetët e oqeanit mund të kenë një klimë të qëndrueshme - ka shumë të ngjarë më e qëndrueshme se Toka. Është gjithashtu e mundur që të ketë një sasi të dukshme të mineraleve të tretura në ujë. E megjithatë, jeta atje nuk është aspak Shrovetide.

Le t'i hedhim një sy Tokës. Me përjashtim të miliona viteve të fundit, toka e saj është jashtëzakonisht e gjelbër, pothuajse pa njolla kafe ose të verdha të shkretëtirave. Por oqeani nuk duket aspak i gjelbër, përveç disa zonave të ngushta bregdetare. Pse eshte ajo?

Puna është se në planetin tonë oqeani është një shkretëtirë biologjike. Jeta kërkon dioksid karboni: ai “ndërton” biomasë bimore dhe vetëm prej saj mund të ushqehet biomasa e kafshëve. Nëse ka CO në ajrin përreth nesh₂ më shumë se 400 ppm siç është tani, bimësia po lulëzon. Nëse do të ishte më pak se 150 pjesë për milion, të gjitha pemët do të vdisnin (dhe kjo mund të ndodhte në një miliard vjet). Me më pak se 10 pjesë të CO₂ për një milion të gjitha bimët do të vdisnin në përgjithësi, dhe bashkë me to të gjitha format vërtet komplekse të jetës.

Në pamje të parë, kjo duhet të nënkuptojë se deti është një hapësirë e vërtetë për jetën. Në të vërtetë, oqeanet e tokës përmbajnë njëqind herë më shumë dioksid karboni sesa atmosfera. Prandaj, duhet të ketë shumë materiale ndërtimi për bimët.

Në fakt, asgjë nuk është më larg nga e vërteta. Uji në oqeanet e Tokës është 1.35 kuintilion (miliardë miliardë) ton, dhe atmosfera është pak më shumë se pesë kadrilion (milion miliardë) ton. Kjo do të thotë, ka dukshëm më pak CO në një ton ujë.₂se një ton ajër. Bimët ujore në oqeanet e Tokës pothuajse gjithmonë kanë shumë më pak CO₂ në dispozicion të tyre se sa ato tokësore.

Për t'i bërë gjërat edhe më keq, bimët ujore kanë një normë të mirë metabolike vetëm në ujë të ngrohtë. Gjegjësisht, në të, CO₂ më së paku, sepse tretshmëria e tij në ujë zvogëlohet me rritjen e temperaturave. Prandaj, algat - në krahasim me bimët tokësore - ekzistojnë në kushte të mungesës së vazhdueshme kolosale të CO.₂.

Kjo është arsyeja pse përpjekjet e shkencëtarëve për të llogaritur biomasën e organizmave tokësorë tregojnë se deti, i cili zë dy të tretat e planetit, jep një kontribut të parëndësishëm në biomasën totale. Nëse marrim masën totale të karbonit - materiali kryesor në masën e thatë të çdo krijese të gjallë - banorët e tokës, atëherë ajo është e barabartë me 544 miliardë tonë. Dhe në trupat e banorëve të deteve dhe oqeaneve - vetëm gjashtë miliardë tonë, thërrime nga tryeza e zotit, pak më shumë se një përqind.

E gjithë kjo mund të çojë në mendimin se megjithëse jeta në planetë-oqeane është e mundur, ajo do të jetë shumë, shumë e shëmtuar. Biomasa e Tokës, nëse do të mbulohej nga një oqean, duke qenë të gjitha gjërat e tjera të barabarta, do të ishte, për sa i përket karbonit të thatë, vetëm 10 miliardë tonë - pesëdhjetë herë më pak se tani.

Megjithatë, edhe këtu është shumë herët për t'i dhënë fund botëve ujore. Fakti është se tashmë në një presion prej dy atmosferash, sasia e CO₂, i cili mund të tretet në ujin e detit, më shumë se dyfishohet (për një temperaturë prej 25 gradë). Me atmosferë katër deri në pesë herë më të dendura se ajo e Tokës - dhe kjo është pikërisht ajo që do të prisnit në planetë si TRAPPIST-1e, g dhe f - mund të ketë aq shumë dioksid karboni në ujë sa që uji i oqeaneve lokale do të fillojë të afrohet. ajri i tokës. Me fjalë të tjera, bimët ujore në planetë dhe oqeane e gjejnë veten në kushte shumë më të mira sesa në planetin tonë. Dhe aty ku ka më shumë biomasë të gjelbër dhe kafshët kanë një bazë më të mirë ushqimore. Domethënë, ndryshe nga Toka, detet e planetëve-oqeaneve mund të mos jenë shkretëtira, por oaza jete.

planetet Sargasso

Por çfarë duhet bërë nëse planeti i oqeanit, për shkak të një keqkuptimi, ka ende dendësinë e atmosferës së Tokës? Dhe këtu gjithçka nuk është aq e keqe. Në Tokë, algat priren të ngjiten në fund, por aty ku nuk ka kushte për këtë, rezulton se bimët ujore mund të notojnë.

Disa nga algat sargassum përdorin qese të mbushura me ajër (ato i ngjajnë rrushit, prandaj fjala portugeze "sargasso" në emrin e detit Sargasso) për të siguruar gjallëri, dhe në teori kjo ju lejon të merrni CO₂ nga ajri, dhe jo nga uji, ku është i pakët. Për shkak të lëvizjes së tyre, është më e lehtë për ta të bëjnë fotosintezën. Vërtetë, algat e tilla riprodhohen mirë vetëm në temperatura mjaft të larta të ujit, dhe për këtë arsye në Tokë ato janë relativisht të mira vetëm në disa vende, siç është Deti Sargasso, ku uji është shumë i ngrohtë. Nëse planeti i oqeanit është mjaft i ngrohtë, atëherë edhe dendësia atmosferike e tokës nuk është një pengesë e pakapërcyeshme për bimët detare. Ata mund të marrin CO₂ nga atmosfera, duke shmangur problemet e dioksidit të karbonit të ulët në ujë të ngrohtë.

Algat Sargasso. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Është interesante se algat lundruese në të njëjtin det Sargasso krijojnë një ekosistem të tërë lundrues, diçka si një "tokë lundruese". Aty jetojnë gaforret, për të cilët mjafton lundrimi i algave për të lëvizur në sipërfaqen e tyre sikur të ishte tokë. Teorikisht, në zona të qeta të planetit oqean, grupet lundruese të bimëve detare mund të zhvillojnë jetë mjaft "tokësore", megjithëse nuk do të gjeni vetë tokë atje.

Kontrollo privilegjin tënd, tokësor

Problemi i identifikimit të vendeve më premtuese për kërkimin e jetës është se deri më tani kemi pak të dhëna që do të na lejonin të veçonim bartësit më të mundshëm të jetës midis planetëve kandidatë. Në vetvete, koncepti i "zonës së banueshme" nuk është asistenti më i mirë këtu. Në të, konsiderohen të përshtatshëm për jetë ata planetë që marrin nga ylli i tyre një sasi të mjaftueshme energjie për të mbajtur rezervuarë të lëngshëm të paktën në një pjesë të sipërfaqes së tyre. Në sistemin diellor, si Marsi ashtu edhe Toka janë në zonën e banueshme, por në fillimin e parë kompleks jeta në sipërfaqe është disi e padukshme.

Kryesisht sepse kjo nuk është e njëjta botë si Toka, me një atmosferë dhe hidrosferë thelbësisht të ndryshme. Paraqitja lineare në stilin "planeti-oqeani është Toka, por vetëm i mbuluar me ujë" mund të na çojë në të njëjtin iluzion që ekzistonte në fillim të shekullit të 20-të për përshtatshmërinë e Marsit për jetën. Oqeanidet e vërteta mund të ndryshojnë ndjeshëm nga planeti ynë - ato kanë një atmosferë krejtësisht të ndryshme, mekanizma të ndryshëm të stabilizimit të klimës dhe madje edhe mekanizma të ndryshëm për furnizimin e bimëve detare me dioksid karboni.

Një kuptim i hollësishëm i mënyrës se si funksionojnë në të vërtetë botët e ujit na lejon të kuptojmë paraprakisht se cila do të jetë zona e banueshme për ta, dhe në këtë mënyrë t'i afrohemi shpejt vëzhgimeve të hollësishme të planetëve të tillë në James Webb dhe teleskopë të tjerë të mëdhenj premtues.

Për ta përmbledhur, nuk mund të mos pranohet se deri vonë idetë tona se cilat botë janë realisht të banuara dhe cilat jo, vuanin shumë nga antropocentrizmi dhe gjeocentrizmi. Dhe, siç rezulton tani, nga "sushcentrizmi" - mendimi se nëse ne vetë u ngritëm në tokë, atëherë ai është vendi më i rëndësishëm në zhvillimin e jetës, dhe jo vetëm në planetin tonë, por edhe në diej të tjerë. Ndoshta vëzhgimet e viteve të ardhshme nuk do të lënë gur pa lëvizur nga ky këndvështrim.