Muligheden for liv på vandplaneter

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

De fleste af de planeter, vi kender til, er større i masse end Jorden, men mindre end Saturn. Oftest er der blandt dem "mini-neptunes" og "super-jorde" - objekter et par gange mere massive end vores planet. De seneste års opdagelser giver flere og flere grunde til at tro, at superjorden er planeter, hvis sammensætning er meget forskellig fra vores. Desuden viste det sig, at de terrestriske planeter i andre systemer sandsynligvis vil adskille sig fra Jorden i meget rigere lette elementer og forbindelser, herunder vand. Og det er en god grund til at spekulere på, hvor egnede de er til livet.

De førnævnte forskelle mellem eks-jorden og Jorden forklares ved, at tre fjerdedele af alle stjerner i universet er røde dværge, lyskilder meget mindre massive end Solen. Observationer viser, at planeterne omkring dem ofte befinder sig i den beboelige zone – altså hvor de modtager omtrent samme energi fra deres stjerne som Jorden fra Solen. Desuden er der ofte ekstremt mange planeter i den beboelige zone af røde dværge: i TRAPPIST-1-stjernens "Goldilocks-bælte" er der for eksempel tre planeter på én gang.

Og det er meget mærkeligt. Den beboelige zone af røde dværge ligger i millioner af kilometer fra stjernen, og ikke 150-225 millioner, som i solsystemet. I mellemtiden kan flere planeter ikke dannes på én gang i millioner af kilometer fra deres stjerne - størrelsen på dens protoplanetariske skive tillader det ikke. Ja, en rød dværg har det mindre end en gul, ligesom vores sol, men ikke hundrede eller endda halvtreds gange.

Situationen kompliceres yderligere af, at astronomer har lært at mere eller mindre præcist "veje" planeter i fjerne stjerner. Og så viste det sig, at hvis vi relaterer deres masse og størrelse, viser det sig, at tætheden af sådanne planeter er to eller endda tre gange mindre end Jordens. Og dette er i princippet umuligt, hvis disse planeter blev dannet i millioner af kilometer fra deres stjerne. For med et så tæt arrangement burde strålingen fra armaturet bogstaveligt talt skubbe hovedparten af lyselementerne udad.

Det er præcis, hvad der for eksempel skete i solsystemet. Lad os tage et kig på Jorden: den blev dannet i den beboelige zone, men vand i dens masse er ikke mere end en tusindedel. Hvis tætheden af en række verdener hos røde dværge er to til tre gange lavere, så er vandet dér ikke mindre end 10 procent eller endda mere. Det vil sige hundrede gange mere end på Jorden. Følgelig dannede de sig uden for den beboelige zone og vandrede først dertil. Det er let for stjernestråling at fratage lette elementer fra zonerne på den protoplanetariske skive tæt på lyset. Men det er meget vanskeligere at fratage en færdiglavet planet, der er migreret fra den fjerne del af den protoplanetariske skive, af lette elementer - de nederste lag der er beskyttet af de øverste. Og vandtab er uundgåeligt ret langsomt. En typisk superjord i den beboelige zone vil ikke være i stand til at miste engang halvdelen af sit vand, og under hele eksistensen af f.eks. solsystemet.

Så de mest massive stjerner i universet har ofte planeter, hvor der er meget vand. Dette betyder højst sandsynligt, at der er meget flere sådanne planeter end som Jorden. Derfor ville det være godt at finde ud af, om der på sådanne steder er mulighed for opståen og udvikling af komplekst liv.

Har brug for flere mineraler

Og det er her, de store problemer begynder. Der er ingen tætte analoger af superjorde med en stor mængde vand i solsystemet, og i mangel af eksempler, der er tilgængelige til observation, har planetforskere bogstaveligt talt intet at starte fra. Vi skal se på fasediagrammet for vandet og finde ud af, hvilke parametre der vil være for forskellige lag af oceanidplaneterne.

Fasediagram over vandets tilstand. Ismodifikationer er angivet med romertal. Næsten al is på Jorden tilhører gruppe I_h, og en meget lille fraktion (i den øvre atmosfære) - til I_c… Billede: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Det viser sig, at hvis der er 540 gange mere vand på en planet på størrelse med Jorden end her, så vil den være fuldstændig dækket af et mere end hundrede kilometer dybt hav. På bunden af sådanne oceaner vil trykket være så stort, at der vil begynde at danne is af en sådan fase, som forbliver fast selv ved meget høje temperaturer, da vandet holdes fast af det enorme tryk.

Hvis bunden af planethavet er dækket af et tykt lag is, vil flydende vand blive berøvet kontakt med faste silikatsten. Uden en sådan kontakt vil mineralerne i den faktisk ikke have nogen steder at komme fra. Hvad værre er, kulstofkredsløbet vil blive forstyrret.

Lad os starte med mineraler. Uden fosfor kan livet - i de former, vi kender - ikke være, for uden det er der ingen nukleotider og følgelig heller ikke noget DNA. Det bliver svært uden kalk – vores knogler er fx sammensat af hydroxylapatit, som ikke kan undvære fosfor og calcium. Problemer med tilgængeligheden af visse elementer opstår nogle gange på Jorden. For eksempel var der i Australien og Nordamerika på en række lokaliteter et unormalt langt fravær af vulkansk aktivitet, og i jord nogle steder er der en alvorlig mangel på selen (det er en del af en af de aminosyrer, der er nødvendige for livet). Heraf har køer, får og geder mangel på selen, og nogle gange fører dette til husdyrs død (tilsætning af selenit til husdyrfoder i USA og Canada er endda reguleret ved lov).

Nogle forskere foreslår, at den blotte faktor for tilgængeligheden af mineraler skulle gøre oceanerne-planeter til virkelige biologiske ørkener, hvor liv, hvis der er, er ekstremt sjældent. Og vi taler simpelthen ikke om virkelig komplekse former.

Ødelagt klimaanlæg

Ud over mineralmangler har teoretikere opdaget et andet potentielt problem med planeter-have - måske endnu vigtigere end det første. Vi taler om fejl i kulstofkredsløbet. På vores planet er han hovedårsagen til eksistensen af et relativt stabilt klima. Princippet om kulstofkredsløbet er enkelt: når planeten bliver for kold, bremses absorptionen af kuldioxid af klipperne kraftigt (processen med en sådan absorption forløber kun hurtigt i et varmt miljø). Samtidig går "tilførslen" af kuldioxid med vulkanudbrud i samme tempo. Når gasbindingen falder, og tilførslen ikke falder, stiger CO₂-koncentrationen naturligt. Planeterne er, som du ved, i det interplanetariske rums vakuum, og den eneste væsentlige måde at varmetab på for dem er dens stråling i form af infrarøde bølger. Kuldioxid absorberer sådan stråling fra planetens overflade, hvorfor atmosfæren varmes lidt op. Dette fordamper vanddamp fra havenes vandoverflade, som også absorberer infrarød stråling (en anden drivhusgas). Som følge heraf er det CO₂, der fungerer som hovedinitiator i processen med at opvarme planeten.

Det er denne mekanisme, der fører til, at gletsjere på Jorden slutter før eller siden. Han tillader det heller ikke at overophedes: ved alt for høje temperaturer bindes kuldioxid hurtigere af klipper, hvorefter de på grund af jordskorpens tektonik gradvist synker ned i kappen. CO niveau₂falder og klimaet bliver køligere.

Betydningen af denne mekanisme for vores planet kan næppe overvurderes. Forestil dig et sekund et sammenbrud af et kulstofklimaanlæg: sige, vulkaner er holdt op med at bryde ud og leverer ikke længere kuldioxid fra jordens indvolde, som engang kom ned der med gamle kontinentalplader. Den allerførste istid vil bogstaveligt talt blive evig, for jo mere is på planeten, jo mere solstråling reflekterer den ud i rummet. Og en ny portion CO₂ vil ikke være i stand til at frigøre planeten: den har ingen steder at komme fra.

Det er præcis sådan, det i teorien burde være på planeterne-oceane. Selvom vulkansk aktivitet til tider kan bryde gennem skallen af eksotisk is på bunden af planethavet, er der ikke meget godt ved det. På overfladen af havverdenen er der ganske enkelt ingen sten, der kan binde overskydende kuldioxid. Det vil sige, at dens ukontrollerede ophobning kan begynde og følgelig overophedning af planeten.

Noget lignende - sandt, uden noget planetarisk ocean - skete på Venus. Der er heller ingen pladetektonik på denne planet, selvom hvorfor det skete ikke rigtig vides. Derfor sætter vulkanudbrud dér, der til tider bryder igennem gennem skorpen, en masse kuldioxid i atmosfæren, men overfladen kan ikke binde det: Kontinentalplader synker ikke ned, og nye rejser sig ikke op. Derfor har overfladen af de eksisterende plader allerede bundet al CO₂, som kunne og ikke kan optage mere, og det er så varmt på Venus, at bly altid vil forblive en væske der. Og dette til trods for, at denne planet ifølge modellering med Jordens atmosfære og kulstofkredsløb ville være en beboelig tvilling af Jorden.

Er der liv uden aircondition?

Kritikere af "terrestrisk chauvinisme" (standpunktet om, at liv kun er muligt på "kopier af Jorden", planeter med strengt jordiske forhold) stillede straks spørgsmålet: hvorfor i virkeligheden besluttede alle, at mineraler ikke ville være i stand til at bryde igennem en lag af eksotisk is? Jo stærkere og mere uigennemtrængeligt låget er over noget varmt, jo mere energi ophobes under det, som har tendens til at bryde ud. Her er den samme Venus - pladetektonikken ser ikke ud til at eksistere, og kuldioxid undslap fra dybet i sådanne mængder, at der ikke er liv fra det i ordets bogstavelige forstand. Følgelig er det samme muligt med fjernelse af mineraler opad - faste klipper under vulkanudbrud falder fuldstændigt opad.

Alligevel er der stadig et andet problem - det "brudte klimaanlæg" i kulstofkredsløbet. Kan en havplanet være beboelig uden den?

Der er mange kroppe i solsystemet, hvor kuldioxid slet ikke spiller rollen som hovedregulatoren af klimaet. Her er for eksempel Titan, en stor Saturns måne.

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

Kroppen er ubetydelig i sammenligning med Jordens masse. Imidlertid blev det dannet langt fra Solen, og strålingen fra belysningen "fordampede" ikke de lette elementer fra det, inklusive nitrogen. Dette giver Titan en atmosfære af næsten rent nitrogen, den samme gas, som dominerer vores planet. Men tætheden af dens nitrogenatmosfære er fire gange så stor som vores - med tyngdekraften er den syv gange svagere.

Ved første øjekast på Titans klima er der en fast fornemmelse af, at den er ekstremt stabil, selvom der ikke er noget "carbon" klimaanlæg i sin direkte form. Det er tilstrækkeligt at sige, at temperaturforskellen mellem polen og ækvator af Titan kun er tre grader. Hvis situationen var den samme på Jorden, ville planeten være meget mere jævnt befolket og generelt mere egnet til liv.

Desuden har beregninger foretaget af en række videnskabelige grupper vist: med en atmosfæretæthed, der er fem gange højere end Jordens, det vil sige en fjerdedel højere end på Titan, er selv drivhuseffekten af nitrogen alene ganske nok til at temperaturudsvingene falder. til næsten nul. På sådan en planet, dag og nat, både ved ækvator og ved polen, ville temperaturen altid være den samme. Det jordiske liv kan kun drømme om sådan noget.

Planeter-have med hensyn til deres tæthed er lige på niveau med Titan (1, 88 g / cm ³), og ikke Jorden (5, 51 g / cm ³). Lad os sige, at tre planeter i den beboelige zone TRAPPIST-1 40 lysår fra os har en tæthed fra 1,71 til 2,18 g/cm³. Med andre ord, højst sandsynligt, har sådanne planeter mere end tilstrækkelig tæthed af nitrogenatmosfære til at have et stabilt klima alene på grund af nitrogen. Kuldioxid kan ikke forvandle dem til rødglødende Venus, fordi en rigtig stor masse vand kan binde en masse kuldioxid selv uden nogen pladetektonik (kuldioxid absorberes af vand, og jo højere tryk, jo mere kan det indeholde det).

Dybhavsørkener

Med hypotetiske udenjordiske bakterier og arkæer ser alt ud til at være enkelt: de kan leve under meget vanskelige forhold, og til dette har de slet ikke brug for en overflod af mange kemiske elementer. Det er sværere med planter og et højt organiseret liv, der lever på deres bekostning.

Så havplaneter kan have et stabilt klima - højst sandsynligt mere stabilt end Jorden har. Det er også muligt, at der er en mærkbar mængde mineraler opløst i vand. Og dog er livet der slet ikke fastelavn.

Lad os tage et kig på Jorden. Bortset fra de sidste millioner af år er dens land ekstremt grønt, næsten blottet for brune eller gule pletter af ørkener. Men havet ser slet ikke grønt ud, bortset fra nogle smalle kystzoner. Hvorfor det?

Sagen er, at på vores planet er havet en biologisk ørken. Livet kræver kuldioxid: det "bygger" plantebiomasse og kun ud fra det kan animalsk biomasse fodres. Hvis der er CO i luften omkring os₂ mere end 400 ppm som det er nu, blomstrer vegetationen. Hvis det var mindre end 150 dele pr. million, ville alle træer dø (og det kunne ske om en milliard år). Med mindre end 10 dele CO₂ million ville alle planter dø generelt, og med dem alle virkelig komplekse livsformer.

Umiddelbart skulle det betyde, at havet er en rigtig vidde for livet. Faktisk indeholder jordens oceaner hundrede gange mere kuldioxid end atmosfæren. Derfor skal der være meget byggemateriale til planter.

Faktisk er intet længere fra sandheden. Vandet i jordens oceaner er på 1,35 quintillioner (milliard milliarder) tons, og atmosfæren er godt fem quadrillioner (millioner milliarder) tons. Det vil sige, at der er mærkbart mindre CO i et ton vand.₂end et ton luft. Vandplanter i jordens oceaner har næsten altid meget mindre CO₂ til deres rådighed end jordiske.

For at gøre ondt værre har vandplanter kun et godt stofskifte i varmt vand. Nemlig i det, CO₂ mindst af alt fordi dets opløselighed i vand falder med stigende temperaturer. Derfor eksisterer alger - i sammenligning med landplanter - under forhold med konstant kolossal CO-mangel.₂.

Derfor viser videnskabsmænds forsøg på at beregne biomassen af terrestriske organismer, at havet, der fylder to tredjedele af planeten, yder et ubetydeligt bidrag til den samlede biomasse. Hvis vi tager den samlede masse af kulstof - nøglematerialet i den tørre masse af ethvert levende væsen - indbyggerne i landet, så er det lig med 544 milliarder tons. Og i kroppene af indbyggerne i havene og oceanerne - kun seks milliarder tons, krummer fra mesterens bord, lidt mere end en procent.

Alt dette kan føre til den opfattelse, at selvom liv på planeterne-oceane er muligt, vil det være meget, meget uskønt. Jordens biomasse, hvis den var dækket af ét hav, ville alt andet lige være, udtrykt i tørt kulstof, kun 10 milliarder tons - halvtreds gange mindre, end den er nu.

Men selv her er det for tidligt at sætte en stopper for vandverdenerne. Faktum er, at allerede ved et tryk på to atmosfærer er mængden af CO₂, som kan opløses i havvand, mere end fordobles (ved en temperatur på 25 grader). Med atmosfærer, der er fire til fem gange tættere end Jordens - og det er præcis, hvad du ville forvente på planeter som TRAPPIST-1e, g og f - kan der være så meget kuldioxid i vandet, at vandet i de lokale oceaner vil begynde at nærme sig jordens luft. Med andre ord befinder vandplanter på planeter og oceaner sig i meget bedre forhold end på vores planet. Og hvor der er mere grøn biomasse, og dyr har et bedre fødegrundlag. Det vil sige, i modsætning til Jorden er planeternes hav måske ikke ørkener, men livets oaser.

Sargasso planeter

Men hvad skal man gøre, hvis havplaneten på grund af en misforståelse stadig har Jordens atmosfæretæthed? Og alt er ikke så slemt her. På Jorden har alger en tendens til at sætte sig fast i bunden, men hvor der ikke er betingelser for dette, viser det sig, at vandplanter kan svømme.

Nogle af sargassumalgerne bruger luftfyldte poser (de ligner druer, deraf det portugisiske ord "sargasso" i navnet på Sargassohavet) for at give opdrift, og i teorien giver det dig mulighed for at tage CO₂ fra luft, og ikke fra vand, hvor det er knapt. På grund af deres opdrift er det nemmere for dem at lave fotosyntese. Det er rigtigt, at sådanne alger kun formerer sig godt ved ret høje vandtemperaturer, og derfor er de på Jorden relativt gode kun nogle steder, såsom Sargassohavet, hvor vandet er meget varmt. Hvis havplaneten er varm nok, så er selv jordens atmosfæriske tæthed ikke en uoverstigelig hindring for marine planter. De kan godt tage CO₂ fra atmosfæren og undgå problemerne med lavt kuldioxidindhold i varmt vand.

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

Interessant nok giver flydende alger i det samme Sargasso-hav anledning til et helt flydende økosystem, noget som et "flydende land". Der lever krabber, for hvilke algernes opdrift er nok til at bevæge sig på deres overflade, som om det var land. Teoretisk set kan flydende grupper af havplanter i rolige områder af havplaneten udvikle ganske "land" liv, selvom du ikke vil finde selve landet der.

Tjek dit privilegium, jordbo

Problemet med at identificere de mest lovende steder for søgen efter liv er, at vi indtil videre har få data, der ville tillade os at udskille de mest sandsynlige bærere af liv blandt kandidatplaneterne. I sig selv er begrebet "beboelig zone" ikke den bedste assistent her. I den anses de planeter for at være egnede til liv, der modtager fra deres stjerne en tilstrækkelig mængde energi til at understøtte væskereservoirer i det mindste på en del af deres overflade. I solsystemet er både Mars og Jorden i den beboelige zone, men ved det første komplekse liv på overfladen er på en eller anden måde umærkeligt.

Hovedsageligt fordi dette ikke er den samme verden som Jorden, med en fundamentalt anderledes atmosfære og hydrosfære. Lineær repræsentation i stil med "planet-oceanet er Jorden, men kun dækket af vand" kan føre os ind i den samme vildfarelse, som i begyndelsen af det 20. århundrede eksisterede om Mars' egnethed til liv. Ægte oceanider kan adskille sig markant fra vores planet - de har en helt anden atmosfære, forskellige klimastabiliseringsmekanismer og endda forskellige mekanismer til at forsyne marine planter med kuldioxid.

En detaljeret forståelse af, hvordan vandverdenerne faktisk fungerer, giver os mulighed for på forhånd at forstå, hvad den beboelige zone vil være for dem, og derved hurtigt nærme os detaljerede observationer af sådanne planeter i James Webb og andre lovende store teleskoper.

Sammenfattende kan man ikke andet end at indrømme, at indtil for ganske nylig led vores ideer om, hvilke verdener der virkelig er beboede, og hvilke der ikke er, for meget under antropocentrisme og geocentrisme. Og, som det nu viser sig, fra "sushcentrism" - den opfattelse, at hvis vi selv opstod på land, så er det det vigtigste sted i livets udvikling, og ikke kun på vores planet, men også i andre sole. Måske vil observationerne fra de kommende år ikke efterlade en sten uvendt fra dette synspunkt.