Locuibilitate planetară

Determinarea habitabilității planetare corespunde parțial cu extrapolarea condițiilor terestre, deoarece Pământul este singura planetă pe care se cunoaște existența vieții.

Locuibilitatea planetară este măsura capacității unui corp ceresc de a se dezvolta și de a primi viața . Prin urmare, această noțiune poate fi utilizată în special pentru planete și sateliții lor naturali .

În urma cunoștințelor dobândite din studiile de biologie terestră, elementele necesare pentru menținerea vieții sunt o sursă de energie combinată cu materia mobilizabilă, știind că sunt propuse diferite modele în sprijinul originii vieții . Cu toate acestea, noțiunea de habitabilitate ca „posibilitatea de a primi viața” este limitată intrinsec de comparația cu condițiile biologice terestre, ceea ce implică respectarea altor diferiți parametri ai unui ordin geofizic , geochimic și astrofizic . Dacă nu se cunoaște existența vieții extraterestre, habitabilitatea unei planete este de fapt o extrapolare a condițiilor terestre și a caracteristicilor generale care par favorabile dezvoltării vieții în cadrul sistemului solar . Apa lichidă este considerată în special ca un element indispensabil pentru un ecosistem viu. Cercetările în acest domeniu se referă în principal la planetologie și astrobiologie .

Ideea că alte planete decât Pământul ar putea găzdui viață este veche și de-a lungul istoriei dezbaterea a implicat atât filozofia, cât și știința . ^[1] Sfârșitul secolului al XX-lea a fost scena a două descoperiri foarte importante. În primul rând, observarea și explorarea prin intermediul sondelor planetelor și sateliților sistemului solar au furnizat informații esențiale care au făcut posibilă definirea criteriilor de habitabilitate și a comparației geofizice dintre Pământ și celelalte corpuri cerești. Pe de altă parte, descoperirea exoplanetelor , care a început în 1995 și s-a accelerat, a confirmat că Soarele nu este singura stea care luminează planetele și a lărgit domeniul de cercetare a locuinței dincolo de Sistemul Solar .

Sisteme solare adecvate

Orbita 55 Cancri f este situată în zona locuibilă a stelei sale, 55 Cancri .

Definirea noțiunii de habitabilitate planetară începe cu studiul stelelor . Locuibilitatea unei planete depinde în mare măsură de caracteristicile sistemului planetar (și deci al stelei) care o găzduiește. În urma proiectului Phoenix al programului SETI , oamenii de știință Margaret Turnbull și Jill Tarter au dezvoltat noțiunea HabCat (prescurtarea pentru Catalogul sistemelor stelare habitabile ) în 2002 . Catalogul a fost creat prin extragerea din catalogul Hipparcos a celor 120.000 de stele cele mai apropiate de Pământ. Ulterior, o selecție mai precisă a făcut posibilă izolarea a 17.000 HabStars . Alegerea criteriilor a fost un bun punct de plecare pentru a înțelege care sunt caracteristicile astrofizice necesare pentru a face planetele locuibile . ^[2]

Clasa spectrală

Clasa spectrală a unei stele indică temperatura fotosferei , care pentru secvența principală stelele este legată de masa lor. În prezent, se estimează că domeniul spectral adecvat pentru stelele capabile să găzduiască sisteme gazdă de viață ( HabStars ) este de la începutul clasei F sau G până la mijlocul clasei spectrale K. Acesta corespunde unor temperaturi care variază de la puțin peste 4000 K puțin peste 7000 K. Soarele, o stea din clasa G2, se află aproximativ în mijlocul acestui domeniu. Stelele de acest tip au o serie de particularități care sunt importante din punctul de vedere al locuinței planetare.

Stele din clasa O, B și A

Stelele din clasele A, B și O sunt cele mai strălucitoare din Galaxy și cele care își consumă combustibilul cel mai rapid, în general mai puțin de un miliard de ani și, în unele cazuri, chiar mai puțin de 10 milioane de ani. ^{[3] [4]} . Stelele albastre din clasa O și B emit radiații ultraviolete intense care produc un proces de fotoevaporare a planetelor născute . ^[5] Chiar și în protostele aflate la mai puțin de 0,1 ani-lumină de o stea albastră fierbinte, cu greu s-ar putea forma o planetă înainte ca materialul discului protoplanetar să fie ejectat în spațiul interstelar de energia intensă emanată de un partener masiv. Mai mult, chiar dacă este plasat la o distanță mai mare, un sistem planetar care formează o stea de tip solar atât de aproape de o stea albastră ar fi suflat de explozia masivului din apropiere în supernova , eveniment care are loc în câteva zeci de milioane de ani. ^[6] Prin urmare, este foarte puțin probabil să existe planete locuibile relativ apropiate de stelele de clasă O și B.

Formarea planetelor în zona locuibilă din jurul stelelor de clasa A ar putea fi posibilă, cu toate acestea, experții consideră că chiar și în primele clase de stele de tip F, radiațiile ultraviolete ar fi excesive și ar altera sau distruge molecule precum ADN (esențial pentru biochimie pe bază de carbon ). ^[7] În plus, deoarece viața lor este mult mai scurtă decât cea a stelelor de clasă G sau K, zona lor locuibilă s-ar extinde rapid și probabil orice planetă din jurul lor ar traversa granița interioară a zonei locuibile înainte ca viața să poată evolua. ^{[7] [8]}

Stele din clasele K, G și F.

Același subiect în detaliu: habitabilitatea unui sistem planetar al unei pitici portocalii și a unei planete supraabitabile .

Stelele variind de la tipul intermediar K la galben-alb sunt cele mai bune pentru viață în ceea ce privește stabilitatea, distanța de la zona locuibilă la stea și ciclul de viață. ^[9] Spre deosebire de piticii roșii, aceste stele relativ asemănătoare Soarelui au o fază mult mai scurtă a activității stelare după formarea lor (aproximativ 500 de milioane de ani pentru o clasă G), comparativ cu 2-3 miliarde de ani pentru una din clasa M), care împiedică planetele potențial locuibile să-și piardă atmosfera în primele miliarde de ani de existență din cauza unor erupții intense. ^[10] Mai mult, este puțin probabil ca planetele situate în zonele lor locuibile să fie atât de aproape de stelele lor încât să fie în rotație sincronă , așa cum se întâmplă în schimb cu planetele din jurul piticilor roșii.

Aceste stele nu sunt nici prea fierbinți, nici prea reci și ard suficient de mult pentru ca viața să aibă șansa să apară. Probabil că reprezintă 5-10% din stelele din galaxia noastră . emit suficientă radiație ultravioletă de înaltă frecvență pentru a cataliza reacții importante în atmosferă, cum ar fi formarea de ozon , dar nu prea mult, deoarece aceasta ar distruge viața. ^[11]

Deși aceste trei tipuri de stele sunt a priori cele mai favorabile vieții, există diferențe importante între ele. ^[12] Pe măsură ce trecem în secvența principală , mai sus și în stânga diagramei HR , emisia de radiații ultraviolete din corpurile stelare crește: în timp ce în exoplanetele de tip Pământ se află în zona locuibilă a piticilor portocalii, viața ar fi posibil fără protecția unui strat de ozon, în stelele de tip F un corp planetar cu caracteristici similare ar avea nevoie de o sferă densă de ozon pentru a permite apariția vieții non-acvatice. ^{[13] [14]} Din acest motiv și din alte motive, se crede că piticele portocalii (tip K) sunt mai favorabile habitabilității planetare decât analogii solari sau alte tipuri de stele, găzduind ipoteticele planete super-locuibile . ^[13]

Stele din clasa M și K târziu

Același subiect în detaliu: Habitabilitatea unui sistem planetar al unei pitice roșii .

Aceste tipuri de stele, cunoscute sub numele de pitici roșii , sunt cele mai mici și mai frecvente din Galaxy, reprezentând 75% din populația totală a Căii Lactee. Deoarece speranța de viață a unei stele este invers proporțională cu masa lor, acestea sunt și cele mai longevive, putând rămâne în secvența principală chiar și miliarde de ani, comparativ cu aproximativ 10 miliarde de ani de stele precum Soarele. ^{[15 ]}

Cu toate acestea, posibilitățile de viață pe planetele pitice roșii care orbitează sunt o chestiune de dezbatere în rândul comunității științifice, deoarece prezintă probleme serioase pentru apariția vieții pe o planetă stâncoasă care orbitează zona sa locuibilă. ^[16] În primele lor miliarde de ani de viață, aceștia sunt extrem de activi, crescând nivelul de radiații ultraviolete de până la 10.000 de ori în mod repetat în timpul unei zile de pe Pământ, ca urmare a fulgerărilor lor violente. Modelele sugerează că o planetă asemănătoare Pământului, care orbitează una dintre aceste stele în zona sa locuibilă, și-ar pierde treptat atmosfera chiar și cu o magnetosferă similară cu cea a planetei noastre. ^[17]

Datorită luminozității lor scăzute, zona locuibilă a stelelor M și tardive de tip K este destul de mică în comparație cu cea a corpurilor stelare mai mari. Această proximitate determină o mare influență gravitațională a stelei pe planeta lor potențial locuibilă, care ar fi în rotație sincronă întors întotdeauna aceeași emisferă către stea, cu consecința lipsei ciclului zi-noapte prezent pe Pământ. ^[18] Mai mult, absența rotației poate deteriora grav câmpul magnetic planetar, lăsând planeta prost protejată în fața vânturilor stelare și a activităților stelei sale părinte. ^[16]

Pe de altă parte, unii oameni de știință sugerează că tipul de lumină emisă de piticii roșii (în mare parte în infraroșu ) ar putea sustrage o glaciație globală permanentă pe planete situate în apropierea marginii exterioare a zonei locuibile. Așa cum s-a întâmplat în perioada globului de zăpadă Pământ , creșterea gheții duce la o creștere a albedo - ului planetei, ceea ce duce la o răcire suplimentară a suprafeței planetare datorită cantității mai mari de lumină care se reflectă în spațiu. Cu toate acestea, gheața reflectă mai puțină lumină infraroșie, astfel încât o glaciație progresivă ar fi mai puțin probabilă decât în ​​jurul stelelor mai mari, ceea ce ar crește limita exterioară a zonei locuibile cu 10% până la 30% din normă. ^[19] Mai mult, studiile indică faptul că, deși tipul de lumină emis de această clasă de stele diferă de cel al Soarelui, fotosinteza ar fi încă posibilă. ^[13]

Suprafață locuibilă stabilă

Același subiect în detaliu: Zona locuibilă .

Zona locuibilă este un domeniu teoretic lângă stea în cadrul căruia planetele actuale pot menține apa lichidă la suprafață. După sursa de energie, apa lichidă este considerată cel mai important element pentru viață, în mare parte datorită rolului pe care îl joacă pe Pământ. Este posibil ca aceasta să nu fie altceva decât o reflectare a unei pante datorită dependenței de apă a speciilor terestre. Dacă formele de viață ar fi detectate pe planete în care apa este absentă (de exemplu, într-o soluție de amoniac ), definiția zonei locuibile ar trebui revizuită profund sau chiar aruncată în totalitate ca fiind prea restrictivă. Faptul că Europa și într-o oarecare măsură Titan (respectiv 3,5 și 8 unități astronomice de la Soare și ambele în afara zonei locuibile a Soarelui) sunt ambii candidați primari pentru căutarea vieții în Sistemul Solar subliniază dificultatea în definirea noțiunii de locuibil zona . Unele definiții ale termenului de locuință afirmă că planetele locuibile trebuie să se afle în zona locuibilă, dar acest lucru rămâne de demonstrat.

O zonă de living „stabilă” are două caracteristici speciale. În primul rând, locația sa trebuie să rămână aproape neschimbată. Luminozitatea stelelor crește în timp, pe măsură ce o anumită zonă locuibilă se îndepărtează de stea. Dacă această migrație este prea rapidă (de exemplu, pentru o stea supermasivă), planetele sunt în zona locuibilă doar pentru o perioadă foarte scurtă de timp, ceea ce reduce considerabil probabilitatea de dezvoltare a vieții. Determinarea zonei locuibile și poziția acesteia în timpul vieții stelei este foarte dificilă: feedback-urile , de exemplu datorate ciclului carbonului, tind să atenueze impactul creșterii luminozității. Astfel, împreună cu evoluția stelei, ipotezele făcute despre condițiile atmosferice și geologia planetei au o influență uriașă asupra calculului unei zone locuibile. Prin urmare, parametrii propuși pentru calcularea zonei locuibile a Soarelui au variat mult pe măsură ce această noțiune s-a dezvoltat. ^[20]

Mai mult, niciun corp de masă la fel de important ca un gigant gazos nu trebuie să fie prezent în sau în apropierea zonei locuibile: prezența sa ar putea împiedica formarea planetelor terestre . Dacă, de exemplu, Jupiter s-ar afla în regiunea care se află în prezent între orbitele lui Venus și Pământ, probabil că nu s-ar fi putut forma. Oamenii de știință au presupus că combinația planetei terestre pe orbitele interioare - giganții gazoși pe orbitele exterioare era norma, mai multe descoperiri din primul deceniu al secolului 21 păreau să contrazică această ipoteză. Numeroase uriașe gazoase au fost găsite pe orbitele cele mai apropiate de stea, distrugând întreaga zonă locuibilă potențială. Aceste planete gigantice afectează foarte mult viteza radială a stelelor lor și trec frecvent în fața lor, identificarea lor a fost mult mai ușoară decât în ​​lumile telurice mici și acest lucru părea să indice o supremație cantitativă clară a acestor planete asupra celorlalte, datorită efectului de selecție . ^[21] Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea tehnologiei pe telescoapele de la sol și lansarea unor telescoape spațiale dedicate, cum ar fi Kepler , au fost descoperite mii de planete stâncoase și a devenit astfel evident că prevalența planetelor stâncoase asemănătoare Pământului a fost mai mare decât cea a planetelor uriașe . ^[22]

Variație slabă a luminozității

Același subiect în detaliu: stea variabilă .

Toate stelele experimentează variații de luminozitate, dar magnitudinea acestor fluctuații diferă foarte mult de la o stea la alta. Majoritatea stelelor sunt relativ stabile, dar o minoritate semnificativă dintre ele sunt variabile și au adesea scufundări intense și crește luminozitatea. În consecință, cantitatea de energie radiativă pe care o primesc corpurile care orbitează suferă modificări bruște. Prin urmare, aceștia din urmă sunt răi candidați pentru a găzdui planete capabile să permită viața în măsura în care variațiile puternice ale fluxului de energie au un impact negativ asupra supraviețuirii organismelor. De exemplu, ființele vii adaptate la un anumit domeniu de temperatură ar avea probabil probleme cu supraviețuirea schimbărilor majore de temperatură. Mai mult, variațiile de luminozitate sunt în general însoțite de emisia de doze masive de raze gamma și raze X , radiații care ar putea fi letale. Atmosfera planetelor este capabilă să atenueze astfel de efecte (o creștere de 100% a luminozității solare nu implică neapărat o creștere de 100% a temperaturii Pământului), dar este la fel de posibil ca astfel de planete să nu poată să se mențină. atmosferă, deoarece radiațiile puternice incidente la repetiție ar putea să o disperseze.

Soarele nu cunoaște acest tip de variație: în timpul ciclului solar , diferența dintre luminozitatea minimă și cea maximă este de aproximativ 0,1%. Există dovezi importante că schimbările de luminozitate ale Soarelui, deși minime, au avut efecte semnificative asupra climatului Pământului de-a lungul istoriei. Mica Epocă Glaciară ar fi putut fi cauzată de scăderea strălucirii solare pe o perioadă lungă de timp. ^[23] Astfel, o stea nu trebuie să fie o stea variabilă pentru ca schimbările sale de luminozitate să afecteze habitabilitatea. Printre analogii solari cunoscuți, cel care seamănă cel mai mult cu Soarele este 18 Scorpii . Marea diferență dintre cele două stele este amplitudinea ciclului solar, care este mult mai mare decât 18 Scorpii, ceea ce scade considerabil probabilitatea ca viața să se dezvolte pe orbita sa. ^[24]

Metalicitate ridicată

Același subiect în detaliu: Metalicitate .

Dacă elementele cele mai abundente dintr-o stea sunt întotdeauna hidrogen și heliu , există o mare varietate în calitatea elementelor metalice (în astronomie se numește metal sau orice element mai greu decât heliul) pe care le conțin. Un procent ridicat de metale din stea corespunde cantității de elemente grele prezente în discul protoplanetar inițial. Conform teoriei formării sistemelor planetare în cadrul nebuloaselor solare , o cantitate mică de metale din stea scade dramatic probabilitatea formării planetei pe orbită. Este posibil ca toate planetele care se formează în jurul unei stele sărace în metal să aibă o masă mică și, prin urmare, nu vor fi favorabile dezvoltării vieții. Studiile spectroscopice ale sistemelor în care s-au găsit exoplanete confirmă relația dintre o rată ridicată a metalelor și formarea planetelor: „Stelele cu planete, sau cel puțin cu planete similare cu cele pe care le găsim în prezent, sunt în mod clar mai bogate în metale comparativ cu stelele fără să orbiteze planete ». ^[25] Metalicitatea este determinată în special de vârsta potențială a stelelor locuibile: stelele formate la începutul istoriei universului au rate scăzute de metale și o probabilitate corespunzătoare de a găzdui planete care găzduiesc viață.

Sisteme binare

Estimările actuale sugerează că cel puțin jumătate din stele se află în sisteme binare , ^[26] ceea ce complică grav delimitarea noțiunii de habitabilitate. Distanța dintre două stele într-un sistem binar este între o unitate astronomică și câteva sute. Dacă separarea dintre două stele este mare, influența gravitațională a celei de-a doua stele pe o planetă care orbitează prima stea va fi neglijabilă: habitabilitatea ei nu se schimbă decât dacă orbita este extrem de excentrică . În ciuda acestui fapt, atunci când cele două stele sunt mai apropiate, planeta nu va putea avea o orbită stabilă. Dacă distanța dintre planetă și steaua ei principală depășește o cincime din distanța minimă dintre cele două stele, stabilitatea orbitală a planetei nu mai este garantată. ^[27] Nu este sigur că planetele se pot forma într-un sistem binar, deoarece forțele gravitaționale ar putea obstrucționa formarea planetelor. Studiile efectuate de Alan Boss de la Institutul Carnegie au arătat că giganții gazoși se pot forma în jurul stelelor sistemelor binare într-un mod similar cu formarea în jurul stelelor solitare. ^[28]

Alpha Centauri , cea mai apropiată stea de Soare, subliniază faptul că stelele binare nu trebuie aruncate în mod sistematic în căutarea planetelor locuibile. Centaurii A și B au o distanță minimă de 11 UA (23 UA în medie) și ambele ar trebui să aibă zone locuibile stabile. O simulare a stabilității orbitale pe termen lung a planetelor din acest sistem arată că planetele de aproximativ 3 UA de la oricare stea pot rămâne stabile (aceasta înseamnă că axa semi-majoră se abate cu mai puțin de 5%). Zona locuibilă a unui Centauri ar fi de cel puțin 1,2 până la 1,3 UA și B Centauri ar fi de 0,73 până la 0,74 UA. ^[29]

Caracteristicile planetare

Lunile unor uriași gazoși pot fi locuibile

Principala ipoteză făcută despre planetele locuibile este că acestea sunt terestre . Aceste planete, a căror masă va fi de același ordin de mărime ca și cea a Pământului , sunt compuse în principal din silicați și nu au reținut straturi gazoase externe de hidrogen și heliu ca planetele gazoase. Nu este exclus ca o formă de viață să locuiască în straturile superioare ale norilor de giganți gazoși, ^[30] deși acest lucru este considerat puțin probabil având în vedere absența unei suprafețe și a unei gravitații gigantice. ^[31] Prin contrast, sateliții naturali ai unor astfel de planete ar putea găzdui foarte bine viața. ^[32]

Din analiza mediilor potențial capabile să găzduiască viața, se face o distincție generală între organismele unicelulare, cum ar fi bacteriile și archaea, și formele mai complexe ale vieții animale . Unicelularitatea precede neapărat multicelularitatea în tot arborele filogenetic ipotetic , iar apariția organismelor unicelulare nu implică neapărat apariția unor forme de viață mai complexe.^[33] . Caracteristicile planetare enumerate mai jos sunt considerate esențiale pentru viață, dar, în orice caz, condițiile de habitabilitate ale unei planete vor fi mai restrictive pentru organismele multicelulare, cum ar fi plantele și animalele, decât pentru viața unicelulară.

Marte , cu atmosfera sa subțire, este mai rece decât ar fi fost Pământul la aceeași distanță

Masa

Planetele cu masă redusă ar fi candidați răi pentru viață din două motive. În primul rând, gravitația lor ar fi mai mică și atmosfera lor mai puțin densă. Moleculele care alcătuiesc viața au o probabilitate mult mai mare de a atinge viteza de evacuare și de a fi expulzate în spațiu prin propulsia vântului solar sau printr-o coliziune. Planetele ale căror atmosfere nu sunt groase nu vor avea suficientă materie pentru biochimia inițială, nu sunt suficient de izolate termic și au o conductivitate termică slabă pe suprafața lor și o protecție mai mică împotriva radiațiilor de înaltă frecvență și a meteoriților . Mai mult, planetele mai mici au un diametru mai mic și, prin urmare, un raport suprafață-volum mai mare decât planetele mai mari. Astfel de corpuri tind să piardă energie mult mai rapid după formarea lor și, prin urmare, au o activitate geologică redusă. Nu au vulcani , cutremure sau activitate tectonică care asigură suprafeței elemente favorabile vieții și atmosfera cu molecule capabile să regleze temperatura (cum ar fi dioxidul de carbon ).

Termenul „masă scăzută” este doar relativ: Pământul poate fi considerat de masă scăzută în comparație cu planetele gigantice ale sistemului solar, dar este cea mai mare planetă, cu masă mai mare și mai densă decât planetele terestre. ^[34] Este suficient de mare pentru ca forța gravitațională să-și mențină atmosfera și pentru ca miezul său lichid să rămână activ și fierbinte, generând astfel activitate geologică la suprafață (dezintegrarea elementelor radioactive din inima planetei este o altă căldură resursa planetelor). Marte , pe de altă parte, este aproape (poate complet) inactiv și și-a pierdut cea mai mare parte a atmosferei. ^[35] Prin urmare, este de conceput că masa minimă a unei planete care poate fi locuibilă se află între cea a lui Marte și cea a Pământului (sau a lui Venus ). Cu toate acestea, această regulă poate admite excepții: Io , un satelit al lui Jupiter mai mic decât planetele terestre, are o activitate vulcanică intensă datorită constrângerilor generate de influența gravitațională a lui Jupiter. Vecinul său, Europa , ar putea găzdui un ocean lichid pe suprafața sa înghețată datorită energiei create de câmpul gravitațional jovian. Din alt motiv, una dintre lunile lui Saturn , Titan , prezintă un anumit interes: a păstrat o atmosferă groasă și sunt posibile reacții biochimice în metanul lichid de la suprafață. Acești sateliți sunt excepții, dar demonstrează că masa nu ar trebui considerată un discriminator în ceea ce privește habitabilitatea.

În cele din urmă, o planetă mare va avea probabil un miez substanțial compus din fier . Acesta din urmă creează un câmp magnetic care protejează planeta de vântul solar și, în absența ei, ar tinde să disperseze atmosfera planetară și să bombardeze ființele vii cu particule ionizante . Masa nu este singurul element de luat în considerare la determinarea existenței unui câmp magnetic . Planeta trebuie să aibă, de asemenea, o mișcare de rotație suficient de rapidă pentru a produce un efect de dinam în interiorul miezului. ^[36]

Orbita și rotația

Ca și în cazul altor criterii, stabilitatea orbitală și de rotație este esențială pentru ca corpul ceresc să fie locuibil. Cu cât excentricitatea orbitală este mai mare, cu atât este mai mare fluctuația temperaturii pe suprafața planetei. În ciuda adaptării, organismele vii nu pot rezista variațiilor excesive, mai ales dacă uneori ajung la punctul de fierbere și punctul de topire al solventului biotic principal al planetei (pe Pământ, apă). Dacă, de exemplu, oceanele planetei noastre s-au vaporizat în cosmos și ar îngheța, ar fi dificil să ne imaginăm că viața așa cum o cunoaștem astăzi ar fi putut evolua. Orbita Pământului este aproape circulară, excentricitatea fiind mai mică de 0,02. Celelalte planete ale sistemului solar (cu singura excepție a lui Pluto și într-o oarecare măsură Mercur ) au excentricități similare. Datele colectate cu privire la excentricitatea exoplanetelor au surprins majoritatea cercetătorilor: 90% excentricitate este mai mare decât cea a planetelor din sistemul solar, cu o medie de 0,25. ^[37] Acest lucru s-ar putea datora unui simplu mijloc de observare, cum ar fi o excentricitate puternică, care mărește oscilația stelei și astfel facilitează identificarea planetei. Mișcarea unei planete în jurul axei sale de rotație trebuie, fără îndoială, să respecte anumite caracteristici pentru ca viața să aibă posibilitatea de a evolua.

• Ciclul nocturn nu trebuie să fie prea lung. Dacă ziua ar dura ani (terestru), diferența de temperatură dintre partea iluminată și partea umbrită ar fi mare și problemele ar fi similare cu cele ale unei excentricități orbitale puternice.
• Planeta trebuie să aibă anotimpuri moderate.
• Schimbările în direcția axei de rotație nu ar trebui să fie foarte pronunțate. În sine precesiunea nu ar afecta habitabilitatea, dar tinde să accentueze variațiile cauzate de alte deviații orbitale ( ciclurile Milanković ). Precesiunea Pământului durează 23.000 de ani. Dacă ar fi mult mai scurtă sau dacă oscilația ar fi mai mare, ar exista schimbări climatice importante care ar putea afecta puternic habitabilitatea.

Luna pare să joace un rol fundamental în reglarea climatului Pământului prin stabilizarea înclinării axei de rotație. Se crede că o planetă a cărei înclinație a avut o mișcare haotică nu ar putea găzdui viața: un satelit de dimensiunea Lunii ar putea fi nu numai util, ci chiar indispensabil pentru a permite locuința; ^[38] această teză este totuși controversată. ^[39]

Geochimie

În general, se crede că toată viața extraterestră ar trebui să se bazeze pe aceeași chimie ca cea a Pământului, deoarece cele mai importante patru elemente pentru viața terestră ( carbon , hidrogen , oxigen și azot ) sunt, de asemenea, cele mai abundente patru elemente chimice reactive din Pământ. . De fapt, molecule prebiotice simple, cum ar fi aminoacizii , au fost găsite în unele meteoriți și în spațiul interstelar . Per massa, questi quattro elementi costituiscono circa il 96 % della biomassa terrestre. Gli atomi di carbonio hanno una capacità straordinaria di stabilire legami chimici tra loro e di formare grandi strutture complesse, che li rendono ideali per essere alla base dei meccanismi complessi che costituiscono gli esseri viventi. L' acqua , composta da ossigeno e idrogeno, costituisce il solvente nel quale avvennero i processi biologici e le prime reazioni portarono all'apparizione della vita. L'energia proveniente dal legame covalente tra gli atomi di carbonio e quelli di idrogeno liberati dalla dissociazione dei carboidrati e di altre molecole organiche, è il carburante di tutte le forme di vita complesse. Questi quattro elementi si associano per formare gli amminoacidi, che costituiscono a loro volta le proteine , componenti essenziali degli organismi viventi.

Le abbondanze relative dei differenti elementi nello spazio non sono sempre simili ai loro valori sui pianeti. Per esempio, dei quattro sopra citati, solo l'ossigeno è presente in grande quantità nella crosta terrestre . ^[40] Questo può essere in parte spiegato dal fatto che molti di questi elementi, come l'idrogeno e l'azoto, come anche altre molecole semplici, come il biossido di carbonio , il monossido di carbonio , il metano , l' ammoniaca e l' acqua sono gassose a temperature elevate. Nelle regioni calde in prossimità del sole, queste molecole volatili non hanno svolto un grande ruolo nella formazione geologica dei pianeti. In effetti sono state intrappolate allo stato gassoso sotto le croste appena formatesi. Esse sono composte in gran parte di molecole non volatili sotto forma di roccia, come la silice (una molecola composta da silicio e ossigeno la cui grande abbondanza nella crosta terrestre motiva quella dell'ossigeno). La sublimazione delle molecole volatili da parte dei primi vulcani avrebbe contribuito alla formazione dell' atmosfera dei pianeti. L' esperimento di Miller-Urey ha mostrato che con un apporto di energia, gli amminoacidi potevano essere sintetizzati a partire da molecole semplici presenti nell'atmosfera primordiale. ^[41]

Anche così, tuttavia, la sublimazione vulcanica non può spiegare la quantità di acqua negli oceani terrestri. ^[42] La maggior parte dell'acqua necessaria alla vita, e forse del carbonio, è senza dubbio proveniente dal sistema solare esterno ove, allontanata dal calore del Sole, ha potuto rimanere solida. Le comete collidero con la Terra all'inizio del sistema solare liberando grandi quantità di acqua, come pure altre molecole volatili necessarie alla vita (tra cui gli amminoacidi). Questo avrebbe permesso la rapida apparizione della vita sulla Terra.

Così, nonostante sia probabile che i quattro elementi principali siano presenti in altri luoghi, un sistema abitabile avrà bisogno di un apporto continuo di corpi in orbita al fine di fornire elementi ai pianeti interni. È ipotizzabile che la vita sulla Terra come la conosciamo non esisterebbe senza le comete. È tuttavia possibile che altri elementi possano servire da base per forme di vita basate su una chimica differente.

Uno studio del novembre del 2016 propone che siano imposti limiti più stringenti nella definizione della zona di abitabilità. In particolare, sarebbe necessario che la temperatura superficiale sia compresa tra 0 e 50 °C affinché sia permessa la presenza sul pianeta di organismi in grado di generare biomarcatori atmosferici. ^[43]

Altre considerazioni

Abitabilità dei sistemi attorno alle nane rosse

Lo stesso argomento in dettaglio: Abitabilità dei sistemi planetari delle nane rosse .

Rappresentazione artistica di un pianeta in orbita attorno ad una nana rossa.

Determinare l'abitabilità delle nane rosse potrebbe aiutare a determinare se la vita è comune nell'universo. In effetti le nane rosse costituiscono tra il 70% e il 90% delle stelle della nostra galassia . Le nane brune sono probabilmente più numerose delle nane rosse ma non vengono considerate stelle ed è improbabile che possano ospitare la vita almeno per come la conosciamo, dal momento che emettono una quantità troppo esigua di calore .

Durante gli anni, gli astronomi hanno scartato le nane rosse dai sistemi potenzialmente abitabili. Le loro piccole dimensioni (tra 0,1 e 0,6 volte la massa solare) corrispondono a reazioni nucleari estremamente lente: esse emettono una quantità di luce molto scarsa (tra lo 0,01 e il 3% di quella del sole). I pianeti in orbita attorno ad una nana rossa dovranno essere molto vicini alla stella per avere una temperatura di superficie comparabile a quella della Terra: da 0,3 UA (leggermente meno di Mercurio ) per una stella come Lacaille 8760 a 0,032 UA (l'anno di un tale pianeta durerebbe sei giorni terrestri) per una stella come Proxima Centauri . ^[44] A queste distanze, la gravità della stella genera una rotazione sincrona . Metà del pianeta sarà sempre illuminato mentre l'altra non lo sarà mai. La sola possibilità perché una vita potenziale non sia condizionata a un calore oa un freddo estremi è il caso in cui il pianeta abbia un'atmosfera sufficientemente spessa per trasferire il calore dal lato chiaro verso la parte in ombra. Per lungo tempo si è creduto che una tale atmosfera avrebbe impedito alla luce di raggiungere la superficie, rendendo impossibile la fotosintesi .

Alcune recenti scoperte tendono tuttavia a contestare quest'ipotesi. Studi condotti da Robert Haberle e Manoj Joshi dell' Ames Research Center della NASA hanno dimostrato che l'atmosfera di un pianeta attorno a una nana rossa avrebbe bisogno solamente di essere il 15% più spesso di quella terrestre per permettere al calore della stella di diffondersi sulla parte in ombra. In molti dei loro modelli su tale faccia l'acqua resterebbe gelata. ^[45] Questo margine è abbastanza compatibile con la fotosintesi. Martin Heath del Greenwich Community College ha mostrato che l'acqua del mare può ugualmente circolare senza gelare interamente nella parte all'ombra se gli oceani fossero sufficientemente profondi da permettere un libero movimento dell'acqua sotto lo strato di ghiaccio superficiale. Pertanto, un pianeta con oceani e un'atmosfera appropriati in orbita attorno ad una nana rossa potrebbe, almeno in teoria, accogliere la vita.

Le dimensioni non sono tuttavia il solo criterio che rende improbabile la presenza di vita attorno alle nane rosse. Un pianeta attorno a una nana rossa non sarà illuminato che per una sola faccia e quindi la fotosintesi sarà impossibile su più della metà della superficie (la fascia notturna e le zone in ombra sulla parte illuminata). Inoltre, le radiazioni di una nana rossa sono principalmente nell' infrarosso mentre sulla Terra, la fotosintesi si avvale della fascia visibile.

Le nane rosse sono molto più variabili e violente delle loro cugine più grandi e stabili. Sono spesso coperte da macchie stellari che possono diminuire la luminosità emessa dalla stella fino al 40% in alcuni mesi mentre in altri periodi delle gigantesche eruzioni solari raddoppiano la luminosità in pochi minuti. Tali variazioni mettono seriamente a rischio la vita, benché sia possibile che esse stimolino l' evoluzione delle specie aumentando il tasso di mutazione e modificando rapidamente il clima .

Le nane rosse hanno però un vantaggio maggiore sulle altre stelle come sistemi ospiti della vita: esse brillano per molto tempo. L'umanità è apparsa sulla Terra 4,5 miliardi di anni dopo la formazione della stessa e la vita come la conosciamo godrà di condizioni adeguate attorno alla nostra stella soltanto per altri cinquecento milioni di anni. ^[46] Al contrario, le nane rosse possono bruciare per miliardi di anni in quanto le reazioni nucleari che vi hanno luogo sono molto più lente di quelle che avvengono nelle stelle più grandi. La vita avrebbe quindi a disposizione più tempo per svilupparsi ed evolversi. Inoltre, benché la probabilità di trovare un pianeta nella zona abitabile attorno ad una nana rossa sia molto bassa, il numero totale di zone abitabili attorno alle nane rosse è uguale a quello delle stelle simili al Sole, dato il loro grande numero. ^[47]

« Buoni Giovi »

I giganti gassosi, come ad esempio Giove hanno un ruolo importante in un sistema solare

I Buoni Giovi (o giganti gassosi di massa gioviana protettivi ) sono dei giganti gassosi , come il pianeta del sistema solare Giove , che rivoluzionano attorno alla loro stella su orbite circolari, sufficientemente lontano dalla zona abitabile per non avere un effetto perturbativo, ma sufficientemente vicino per proteggere i pianeti terrestri situati nelle orbite più interne. Innanzitutto, stabilizzano le orbite di tali pianeti e pertanto il loro clima. Inoltre, contribuiscono a limitare il numero di comete ed asteroidi che potrebbero provocare impatti devastanti su un pianeta che ospiti la vita. ^[48] Giove orbita attorno al Sole ad una distanza circa cinque volte maggiore di quella della Terra. È ad una distanza simile che gli scienziati sperano di trovare dei "buoni giovi" attorno ad altre stelle. Il ruolo di Giove fu messo in luce nel 1994 quando la cometa Shoemaker-Levy 9 vi si schiantò. Se la gravità gioviana non avesse catturato la cometa, essa avrebbe potuto certamente entrare nella zona abitabile del sistema solare.

Nei primi anni del sistema solare, Giove ebbe un ruolo inverso: contribuì ad aumentare l'eccentricità delle orbite degli oggetti nella cintura degli asteroidi . Un gran numero di essi si schiantò sulla Terra e fornirono una gran quantità di elementi volatili. Prima che la Terra arrivasse alla metà della sua massa attuale, i corpi ghiacciati della regione attorno a Giove e Saturno e alcuni piccoli corpi della cintura degli asteroidi iniziale portarono acqua sulla Terra in ragione di perturbazioni gravitazionali delle loro traiettorie generate da Giove e Saturno. ^[49] Pertanto, dato che i giganti gassosi sono degli utili protettori, essi furono importanti nel permettere l'apporto di materia indispensabile all'abitabilità.

Il vicinato galattico

Gli scienziati hanno anche avanzato l'ipotesi che alcune zone della galassia ( zone galattiche abitabili ) permettano meglio che altre l'esistenza della vita. Il sistema solare nel quale viviamo, nel braccio di Orione , su un lato della Via Lattea , è considerato come una zona favorevole. ^[50] Molto lontano dal centro galattico , evita alcuni pericoli in quanto:

• non si trova in un ammasso globulare ;
• non si trova in prossimità di una sorgente attiva di raggi gamma ;
• è lontano dal buco nero supermassivo comunemente associato al Sagittarius A* ;
• l'orbita circolare del sole attorno al centro galattico non gli permette di incontrare uno dei bracci a spirale della galassia, ove le radiazioni intense e la gravitazione perturberebbe considerevolmente qualunque forma di vita.

Un isolamento relativo è in definitiva ciò di cui un sistema ove la vita è presente ha bisogno. Se il sistema solare fosse stato contornato da numerosi sistemi vicini, i quali avrebbero potuto destabilizzare le orbite degli oggetti del sistema solare (in particolare gli oggetti della nube di Oort e della cintura di Kuiper che potrebbero avere delle conseguenze catastrofiche se fossero deviati verso l'interno del sistema solare). Dei vicini prossimi aumenterebbero anche la possibilità di essere nella zona fatale di una pulsar o dell'esplosione di una supernova .

Quattro modelli di abitabilità basata sull'acqua

Lammer et al. hanno proposto una classificazione di quattro tipi di habitat di pianeti rocciosi per l'abitabilità di esseri viventi dipendenti dall'acqua: ^{[51] [52]}

Gli habitat di classe I sono pianeti con condizioni stellari e geofisiche che consentono la disponibilità di acqua liquida in superficie, insieme alla luce solare, in modo che possano originarsi complessi organismi multicellulari .

La classe II include corpi che inizialmente godono di condizioni simili alla Terra, ma non mantengono nel corso del tempo la loro capacità di mantenere l'acqua liquida sulla loro superficie a causa delle condizioni stellari o geofisiche. Marte e forse Venere sono esempi di questa classe in cui le forme di vita complesse potrebbero non svilupparsi.

Quelli di classe III sono corpi planetari in cui gli oceani di acqua liquida esistono sotto la superficie, dove possono interagire direttamente con un nucleo ricco di silicati .

Una situazione del genere può essere prevista su pianeti ricchi d'acqua situati troppo lontano dalla loro stella per consentire l'acqua liquida superficiale, ma su cui l'acqua sotterranea è in forma liquida a causa del calore geotermico . Due esempi di un tale ambiente sono Europa ed Encelado . In tali mondi, non solo la luce non è disponibile come fonte di energia, ma il materiale organico portato dai meteoriti (forse necessario per iniziare la vita in alcuni scenari) potrebbe non raggiungere facilmente l'acqua liquida. Se un pianeta può ospitare la vita solo al di sotto della sua superficie, la biosfera probabilmente non modificherà l'intero ambiente planetario in modo osservabile, quindi rilevare la sua presenza su un esopianeta sarebbe estremamente difficile.

Gli habitat di classe IV hanno strati di acqua liquida tra due strati di ghiaccio o liquidi sopra il ghiaccio.

Se lo strato d'acqua è abbastanza spesso, l'acqua alla sua base sarà in fase solida (polimorfi di ghiaccio) a causa dell'alta pressione. Ganimede e Callisto sono possibili esempi di questa classe. Si pensa che i loro oceani siano racchiusi tra spessi strati di ghiaccio e in tali condizioni l'emergere anche di forme di vita semplici può essere molto difficile perché gli ingredienti necessari per la vita sarebbero diluiti e slegati fra loro. Lammers et al. mettono in questa classe anche i pianeti oceano , poiché anche se l'acqua in questo caso è liquida in superficie ed è esposta a luce e meteoriti, mancano di un substrato roccioso.

Note

Bibliografia

• Michael Perryman, The Exoplanet Handbook , Cambridge University Press, 2011, ISBN 978-0-521-76559-6 .
• Jack Cohen et Ian Stewart, Evolving the Alien: The Science of Extraterrestrial Life , Ebury Press, 2002, ISBN 0-09-187927-2 .
• Stephen H. Doyle, Habitable Planets for Man , American Elsevier Pub. Co, 1970, ISBN 0-444-00092-5 .
• David Grinspoon, Lonely Planets: The Natural Philosophy of Alien Life , HarperCollins, 2004.
• James Lovelock, Gaia: A New Look at Life on Earth. , ISBN 0-19-286218-9 .
• Peter Ward et Donald Brownlee, Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe , Springer, 2000, ISBN 0-387-98701-0 .
• Guillermo Gonzale et Jay W. Richards, The Privileged Planet , Regnery, 2004, ISBN 0-89526-065-4 .

Voci correlate

• Esopianeta
• Esobiologia
• Astrofisica
• Colonizzazione dello spazio
• Equazione di Drake
• Vita extraterrestre
• Paradosso di Fermi
• Origine della vita
• Planetologia
• Sistema solare
• Zona abitabile
• Abitabilità di un satellite naturale

Collegamenti esterni

• ( EN ) Articoli di Alan Boss , su dtm.ciw.edu . URL consultato il 16 agosto 2008 (archiviato dall' url originale il 26 settembre 2011) .
• ( EN ) Enciclopedia di David Darling , su daviddarling.info .
• ( EN ) Sito sull'astrobiologia , su astrobio.net .
• ( EN ) Articoli di James Kasting , su geosc.psu.edu .
• ( EN ) Lista di stelle vicine , su solstation.com .
• ( FR ) Cos'è un pianeta abitabile? sui podcast di Cielo e Spazio radio: 1 , 2°

V · D · M Vita extraterrestre
Eventi e oggetti	ALH 84001 · BLC1 · Meteorite Murchinson · Sorgente radio SHGb02+14a · Meteorite Shergotty · Segnale Wow!
Sistema solare	Venere · Marte · Europa · Titano · Encelado
Corpi extrasolari	Pianeti simili alla Terra · Esopianeti potenzialmente abitabili · TRAPPIST-1 · Proxima b
Comunicazione	Allen Telescope Array · Radiotelescopio di Arecibo · Sonda di Bracewell · Missione spaziale Darwin · Lincos · Messaggio di Arecibo · Placca dei Pioneer · Progetto Ciclopi · Progetto Ozma · Progetto Phoenix · SERENDIP · SETI · SETI@home · SETI attivo · Comunicazione interstellare
Abitabilità	Abitabilità di un satellite naturale · Abitabilità planetaria · Acqua liquida extraterrestre · Astrobiologia · Biochimiche ipotetiche · Biofirma · Esobiologia · Esoecologia · Noogenesi · Pedomicrobium · Pianeta superabitabile · Protezione planetaria · Scala di San Marino · Ultima legge di Shermer · Zona abitabile · HabCat · Extraterrestri nella fantascienza
Teorie	Pluralità dei mondi · Equazione di Drake · Paradosso di Fermi · Grande filtro · Scala di Kardašëv · Principio di mediocrità · Neocatastrofismo · Panspermia · Ipotesi della rarità della Terra · Quoziente di senzienza · Ipotesi dello zoo
Missioni	ExoMars · Mars Sample Return · Mars Astrobiology Explorer-Cacher · Europa Jupiter System Mission

Portale Astronomia

Portale Biologia