W sam raz znaczy nie zawsze to samo. Przestarzałe pojęcie „strefy Złotowłosej”?
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrył, że planeta odległa o ok. 48 lat świetlnych ma ocean wody w stanie ciekłym. Egzoplaneta LHS 1140 b, której promień jest około 1,7 razy większy od promienia Ziemi, od dawna przyciąga uwagę astronomów, ponieważ krąży wokół czerwonego karła w swojej „strefie nadającej się do zamieszkania”, czyli tam, gdzie warunki są odpowiednie do utrzymywania wody w stanie ciekłym. Według astrofizyka z Uniwersytetu Michigan, Ryana MacDonalda, obserwacja wykazała, że LHS 1440b jest najprawdopodobniej superziemią z grubą, bogatą w azot atmosferą. Co ciekawe, LHS 1140 b krąży wokół swojej gwiazdy macierzystej w „rotacji synchronicznej”, co oznacza, że jedna strona planety jest stale zwrócona w stronę słońca. Chociaż planeta może ogólnie być dość zimna, słoneczna strona LHS 1140 b może być wystarczająco ciepła, aby po jej dziennej stronie znajdował się ciekły ocean. Temperatura powierzchni w centrum tego obcego oceanu może wynosić nawet komfortowe 20 stopni Celsjusza.
Planeta ta, choć jest na krótkiej liście „najlepiej nadających się do życia światów”, jest zarazem przykładem komplikacji, w jakie popadamy, gdy próbujemy dopasować kryteria i definicje odnoszące się do „strefy życia”, „ekosfery”, „strefy zamieszkiwalnej” czy w końcu literackiej przenośni „strefa Złotowłosej”, określającego strefę wokół gwiazd, w której panują warunki sprzyjające formowaniu się planet nadających się do życia i zamieszkania, w której wszystko jest „w sam raz” dla żywych organizmów.
Czy na LHS 1140 b jest wszystko „w sam raz”? Jest to wprawdzie „strefa zamieszkiwalna”, jeśli chodzi o temperaturę, jednak planeta jest zablokowana – gwiazda ogrzewa tylko jedną jej połowę. Ma zapewne wodę w stanie ciekłym, ale wody o wiele więcej procentowo niż ma Ziemia. Czy życie może w takich warunkach powstać i ma coś wspólnego z tym, co definiujemy jako życie? No i ta „zamieszkiwalność”. Może być z tym problem.
Ciekłość wody wymyka się sztywnym definicjom
Strefa zamieszkiwalna (ang. „habitabe zone”, HZ) to w tradycyjnym rozumieniu miejsce, w którym warunki są odpowiednie dla istnienia ciekłej wody na powierzchni planety. Nowsze badania sugerują, że środowiska nadające się do zamieszkania, takie jak podpowierzchniowe oceany, mogą istnieć poza tradycyjną HZ, szczególnie wokół gwiazd karłowatych typu M. Na możliwość zamieszkania wpływają też warunki atmosferyczne, aktywność geologiczna i historia planety. Ciekła woda i potencjalnie sprzyjające życiu warunki mogą istnieć poza tradycyjną strefą HZ, co wymaga szerszego spojrzenia na poszukiwania życia pozaziemskiego.
Koncepcja okołosłonecznej strefy zamieszkiwalnej została po raz pierwszy wprowadzona w 1913 roku przez Edwarda Maundera w jego książce „Are The Planets Inhabited?”. Koncepcja ta została później przeanalizowana w 1953 roku przez Hubertusa Strugholda, w traktacie „The Green and the Red Planet: A Physiological Study of the Possibility of Life on Mars”. Naukowiec ten ukuł termin „ekosfera”. Su-Shu Huang, amerykański astrofizyk, po raz pierwszy wprowadził termin „strefa zamieszkiwalna” w 1959 r. w odniesieniu do obszaru wokół gwiazdy, w którym ciekła woda może istnieć na wystarczająco dużym ciele kosmicznym. Idea strefy zamieszkiwalnej sformułowana została w ilościowy sposób około trzy dekady temu w artykule Jamesa Kastinga z Uniwersytetu Pensylwanii, kiedy zaczęto odkrywać pierwsze planety poza naszym Układem Słonecznym.
W dużej mierze poszukiwanie planet podobnych do Ziemi jest poszukiwaniem wody. Każda znana nam żywa istota wymaga wody w jakiejś formie, więc dopóki nie znajdziemy takiej, która tego nie robi, rozsądne jest, aby woda była głównym celem naszych poszukiwań.
Granice HZ opierają się na pozycji Ziemi w Układzie Słonecznym i ilości energii, którą otrzymuje od Słońca. Używane zamiennie określenie „strefa Złotowłosej” wywodzi się z bajki dla dzieci „Złotowłosa i trzy niedźwiedzie”, w której mała dziewczynka wybiera spośród zestawów trzech przedmiotów, odrzucając te, które są zbyt ekstremalne (duże lub małe, gorące lub zimne itp.), i decydując się na ten pośrodku, który jest „w sam raz”.
Strefa ta jest zasadniczo definiowana na podstawie parametrów astronomicznych, jednak jej lokalizacja różni się dla różnych typów gwiazd. Zależy również od geologicznych atrybutów planety, w tym właściwości takich jak gęstość atmosfery i zasięg zachmurzenia, a także, co najważniejsze, od mechanizmów sprzężenia zwrotnego klimatu. Ziemia znajduje się niemal w centrum HZ naszego Układu Słonecznego. Mars znajduje się na jego skraju. Gdyby jednak Mars był większy, powiedzmy o dwukrotnie większej masie niż Ziemia, prawdopodobnie nadal miałby gęstą atmosferę i oceany wodne na swojej powierzchni, co pchnęłoby go do kategorii nadającej się do zamieszkania.
Historycznie potwierdzono, że wiele gwiazd posiada planety w HZ. Większość takich planet, będących albo super-Ziemiami, albo gazowymi olbrzymami, jest bardziej masywna niż Ziemia, ponieważ masywne planety są łatwiejsze do wykrycia. W 2013 roku astronomowie oszacowali, na podstawie danych z kosmicznego teleskopu Keplera, że w strefach zamieszkiwalnych gwiazd podobnych do Słońca i czerwonych karłów w Drodze Mlecznej może znajdować się nawet czterdzieści miliardów planet wielkości Ziemi. Około jedenastu miliardów z nich może krążyć wokół gwiazd podobnych do Słońca. Najbliższą znaną egzoplanetą krążącą w strefie zamieszkiwalnej swojej gwiazdy jest Proxima Centauri b, znajdująca się około 4,2 roku świetlnego od Ziemi.
Wszystko inaczej
Koncepcja HZ jest już od dawna kwestionowana jako podstawowe kryterium istnienia życia. Od czasu odkrycia wielu dowodów na istnienie pozaziemskiej wody w stanie ciekłym poza strefą zamieszkiwalną, gdy podgrzewana jest przez inne źródła energii, np. ogrzewanie pływowe lub rozpad radioaktywny, przyjmuje się możliwość, że ciekła woda może znajdować się nawet na planetach zbłąkanych (poza układami wokół gwiazd) lub ich księżycach. Ciekła woda może również istnieć w szerszym zakresie temperatur i ciśnień w formie chemicznych roztworów. Na Ziemi wchodzi w reakcje z chlorkami sodu w wodzie morskiej, z chlorkami i siarczanami wiąże się na Marsie, gdzie zaobserwowano cieki wodne, być może wody z domieszkami obniżającymi temperaturę zamarzania (1). Może też wiązać się z amoniakiem.
na powierzchni Marsa
Sam termin „nadający się do zamieszkania” jest problematyczny. Nawet jeśli planeta lub księżyc znajduje się w samym środku HZ, nie oznacza to, że jest ona przyjazna dla życia. Wystarczy spojrzeć na nasz Księżyc. Pomimo jego niemal idealnej lokalizacji, brakuje mu atmosfery, ciekłej wody i życia. To samo dotyczy planet pozasłonecznych. Bez czynników takich jak gęsta atmosfera (i ewentualnie pole magnetyczne) chroniącej przed szkodliwym promieniowaniem, wystarczająca ilość źródeł energii, związki organiczne, które mogą działać jako składniki odżywcze, oraz skuteczny mechanizm recyklingu (którym w przypadku Ziemi jest tektonika płyt), życie może nigdy nie powstać, bez względu na lokalizację.
Z tego samego powodu ciekła woda i potencjalnie nadające się do zamieszkania warunki mogą istnieć poza „tradycyjną” HZ. Zasadniczo te pokryte lodem oceany mogłyby istnieć w światach o powierzchni tak zimnej jak –73°C (szacowana temperatura na Trappist-1g). Nie musimy zresztą szukać poza naszym Układem Słonecznym światów oceanicznych znajdujących się poza granicami tradycyjnego HZ. Mamy stosunkowo niedaleko Ceres, która prawdopodobnie ma pod powierzchnią błotnisty ocean, a nawet odległa planeta karłowata Pluton. Lodowe księżyce Jowisza, Europa i Ganimedes, mają podpowierzchniowe oceany. Podobnie jak Enceladus i Tytan wokół Saturna. Co więcej, uważa się, że ocean Europy jest w kontakcie ze skalistym płaszczem planety. W takim przypadku kominy hydrotermalne mogą dostarczać niezbędnych składników odżywczych dla życia, podobnie jak na Ziemi.
Kolejnym czynnikiem komplikującym łatwą definicję strefy zamieszkiwalnej jest epoka w historii planety, o której mówimy. Nasza planeta przechodziła przez fazy „Ziemi śnieżki”, w których większość powierzchni była zlodowaciała, więc w tych okresach nasze oceany mogły być uważane za „podpowierzchniowe”. Mars miał kiedyś ciekłą wodę na swojej powierzchni. Podobnie może być z Wenus, w oparciu o wyniki modelowania. Jeśli chodzi o możliwość zamieszkania, czas może mieć takie samo znaczenie jak miejsce.
Okołogwiazdowe strefy zamieszkiwalne zmieniają się w czasie wraz z ewolucją gwiazd. Na przykład gorące gwiazdy typu O, które mogą pozostawać w ciągu głównym przez mniej niż 10 milionów lat, wypadają ze znanych definicji. Z drugiej strony, gwiazdy typu czerwonego karła, które mogą żyć setki miliardów lat na ciągu głównym, posiadałyby planety z wystarczającą ilością czasu na rozwój i ewolucję życia. W układach czerwonych karłów gigantyczne rozbłyski gwiazdowe, które mogą podwoić jasność gwiazdy w ciągu kilku minut i ogromne plamy gwiazdowe, które mogą pokryć 20 proc. powierzchni gwiazdy, mogą potencjalnie pozbawić nadającą się do zamieszkania planetę atmosfery i wody. Jednak nawet gdy gwiazdy znajdują się na ciągu głównym, ich produkcja energii stale wzrasta, przesuwając ich strefy zamieszkiwalne dalej. W przyszłości ciągły wzrost produkcji energii sprawi, że Ziemia znajdzie się poza strefą zamieszkiwalną Słońca, nawet zanim osiągnie fazę czerwonego olbrzyma.
Ponadto mówimy tylko o życiu, jakie znamy. Jeśli spekulujemy na temat życia, które wykorzystuje inne rodzaje chemicznych bloków budulcowych lub rozpuszczalników innych niż woda, w grę wchodzą dodatkowe możliwości. W gorącym świecie, takim jak Wenus, kwas siarkowy może być możliwym rozpuszczalnikiem. W zimnym świecie mógłby tak działać amoniak lub mieszanina amoniaku i wody. Chociaż koncepcja „strefy Złotowłosej” była bardzo przydatna, gdy astrobiologia była jeszcze w fazie niemowlęcej ponad 30 lat temu, nadszedł czas, aby zarzucić sieć dalej i szerzej, szukać życia, jakiego nie znamy, w miejscach, w których do tej pory nie szukaliśmy.
Mirosław Usidus
