Su gezegenlerinde yaşam olasılığı

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Bildiğimiz gezegenlerin çoğu, Dünya'dan daha büyük, ancak Satürn'den daha az kütleye sahiptir. Çoğu zaman, aralarında "mini-neptünler" ve "süper dünyalar" vardır - gezegenimizden birkaç kat daha büyük nesneler. Son yıllardaki keşifler, süper Dünyaların, bileşimi bizimkinden çok farklı olan gezegenler olduğuna inanmak için giderek daha fazla zemin sağlıyor. Ayrıca, diğer sistemlerdeki karasal gezegenlerin, su da dahil olmak üzere çok daha zengin hafif elementler ve bileşikler açısından Dünya'dan farklı olması muhtemel olduğu ortaya çıktı. Ve bu, yaşam için ne kadar uygun olduklarını merak etmek için iyi bir neden.

Eski dünya ile Dünya arasındaki yukarıda bahsedilen farklılıklar, Evrendeki tüm yıldızların dörtte üçünün kırmızı cüceler, Güneş'ten çok daha az kütleli armatürler olduğu gerçeğiyle açıklanmaktadır. Gözlemler, etraflarındaki gezegenlerin genellikle yaşanabilir bölgede olduğunu, yani Dünya'nın Güneş'ten aldığı enerjiyle yıldızlarından yaklaşık olarak aynı enerjiyi aldıklarını gösteriyor. Dahası, kırmızı cücelerin yaşanabilir bölgesinde genellikle çok fazla gezegen vardır: örneğin, TRAPPIST-1 yıldızının "Goldilocks kuşağı"nda, aynı anda üç gezegen vardır.

Ve bu çok garip. Kızıl cücelerin yaşanabilir bölgesi, güneş sisteminde olduğu gibi 150-225 milyon değil, yıldızdan milyonlarca kilometre uzaktadır. Bu arada, birkaç gezegen aynı anda yıldızlarından milyonlarca kilometre uzakta oluşamaz - ön-gezegen diskinin boyutu izin vermez. Evet, kırmızı bir cüce, Güneşimiz gibi sarı olandan daha azına sahiptir, ancak yüz, hatta elli kez değil.

Durum, gökbilimcilerin uzak yıldızlardaki gezegenleri aşağı yukarı doğru bir şekilde "tartmayı" öğrenmiş olmaları gerçeğiyle daha da karmaşıklaşıyor. Ve sonra, kütlelerini ve boyutlarını ilişkilendirirsek, bu tür gezegenlerin yoğunluğunun Dünya'nınkinden iki hatta üç kat daha az olduğu ortaya çıktı. Ve bu, prensipte, bu gezegenler yıldızlarından milyonlarca kilometre uzakta oluşmuşsa imkansızdır. Çünkü bu kadar yakın bir düzenlemeyle, armatürün radyasyonu, ışık elemanlarının büyük kısmını tam anlamıyla dışarı doğru itmelidir.

Örneğin, güneş sisteminde olan tam olarak budur. Dünya'ya bir göz atalım: yaşanabilir bölgede oluştu, ancak kütlesindeki su binde birinden fazla değil. Kırmızı cücelerdeki bir dizi dünyanın yoğunluğu iki ila üç kat daha düşükse, o zaman oradaki su yüzde 10'dan az veya daha fazla değildir. Yani, Dünya'dan yüz kat daha fazla. Sonuç olarak, yaşanabilir bölgenin dışında oluştular ve ancak o zaman oraya göç ettiler. Yıldız radyasyonunun, ön-gezegen diskinin armatüre yakın bölgelerinin ışık elementlerini mahrum etmesi kolaydır. Ancak, ön-gezegensel hafif elementler diskinin uzak kısmından göç etmiş hazır bir gezegeni mahrum etmek çok daha zordur - oradaki alt katmanlar üstler tarafından korunur. Ve su kaybı kaçınılmaz olarak oldukça yavaştır. Yaşanabilir bölgedeki tipik bir süper dünya, örneğin güneş sisteminin tüm varlığı boyunca suyunun yarısını bile kaybedemez.

Bu nedenle, Evrendeki en büyük kütleli yıldızlar genellikle içinde çok fazla su bulunan gezegenlere sahiptir. Bu, büyük olasılıkla, Dünya gibi çok daha fazla gezegen olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, bu tür yerlerde karmaşık yaşamın ortaya çıkma ve gelişme olasılığının olup olmadığını anlamak iyi olacaktır.

Daha fazla minerale ihtiyaç var

Ve işte büyük problemler burada başlıyor. Güneş sisteminde büyük miktarda su bulunan süper dünyaların yakın benzerleri yoktur ve gözlem için mevcut örneklerin yokluğunda, gezegen bilim adamlarının kelimenin tam anlamıyla başlayacak hiçbir şeyleri yoktur. Suyun faz diyagramına bakmalı ve okyanuslu gezegenlerin farklı katmanları için hangi parametrelerin olacağını bulmalıyız.

Su durumunun faz diyagramı. Buz değişiklikleri Romen rakamlarıyla gösterilir. Dünyadaki neredeyse tüm buzlar grup I'e aittir._H, ve çok küçük bir kısmı (üst atmosferde) - I için_C… Resim: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Görünüşe göre Dünya'nın büyüklüğündeki bir gezegende buradakinden 540 kat daha fazla su varsa, o zaman yüz kilometreden daha derin bir okyanusla tamamen kaplanacak. Bu tür okyanusların dibinde, basınç o kadar büyük olacak ki, su muazzam basınçla katı tutulduğu için, çok yüksek sıcaklıklarda bile katı kalan böyle bir fazın buzu burada oluşmaya başlayacak.

Gezegensel okyanusun dibi kalın bir buz tabakasıyla kaplanırsa, sıvı su katı silikat kayalarla temastan mahrum kalacaktır. Böyle bir temas olmadan, içindeki minerallerin aslında hiçbir yerden gelmeleri mümkün olmayacaktır. Daha da kötüsü, karbon döngüsü bozulacak.

Minerallerle başlayalım. Fosfor olmadan, yaşam - bildiğimiz formlarda - olamaz, çünkü onsuz nükleotid ve buna bağlı olarak DNA yoktur. Kalsiyum olmadan zor olacaktır - örneğin, kemiklerimiz fosfor ve kalsiyum olmadan yapamayan hidroksilapatitten oluşur. Bazı elementlerin mevcudiyeti ile ilgili sorunlar bazen Dünya'da ortaya çıkar. Örneğin, Avustralya ve Kuzey Amerika'da bazı yerlerde anormal derecede uzun bir volkanik aktivite yokluğu vardı ve bazı yerlerde topraklarda ciddi bir selenyum eksikliği var (yaşam için gerekli olan amino asitlerden birinin parçasıdır). Bundan, inekler, koyunlar ve keçiler selenyumda yetersizdir ve bazen bu, çiftlik hayvanlarının ölümüne yol açar (Amerika Birleşik Devletleri ve Kanada'da hayvan yemlerine selenit eklenmesi kanunla bile düzenlenir).

Bazı araştırmacılar, minerallerin mevcudiyetinin salt faktörünün, okyanuslar-gezegenleri, eğer varsa, yaşamın son derece nadir olduğu gerçek biyolojik çöller yapması gerektiğini öne sürüyorlar. Ve biz sadece gerçekten karmaşık formlardan bahsetmiyoruz.

Arızalı klima

Mineral eksikliklerine ek olarak, teorisyenler ikinci bir potansiyel gezegen-okyanus sorunu keşfettiler - belki de ilkinden daha önemli. Karbon döngüsündeki arızalardan bahsediyoruz. Gezegenimizde, nispeten istikrarlı bir iklimin varlığının ana nedenidir. Karbon döngüsünün prensibi basittir: gezegen çok soğuduğunda, karbondioksitin kayalar tarafından emilmesi keskin bir şekilde yavaşlar (bu tür bir emilim süreci sadece sıcak bir ortamda hızlı bir şekilde ilerler). Aynı zamanda, volkanik patlamalarla birlikte karbondioksit "tedarikleri" de aynı hızda ilerliyor. Gaz bağlanması azaldığında ve arz azalmadığında, CO₂ konsantrasyonu doğal olarak yükselir. Bildiğiniz gibi gezegenler, gezegenler arası uzay boşluğundadır ve onlar için ısı kaybının tek önemli yolu, kızılötesi dalgalar biçimindeki radyasyonudur. Karbondioksit, gezegenin yüzeyinden bu tür radyasyonu emer, bu yüzden atmosfer biraz ısınır. Bu, okyanusların su yüzeyindeki su buharını buharlaştırır ve bu da kızılötesi radyasyonu (başka bir sera gazı) emer. Sonuç olarak, gezegeni ısıtma sürecinde ana başlatıcı görevi gören CO₂'dir.

Dünyadaki buzulların er ya da geç sona ermesine yol açan bu mekanizmadır. Ayrıca aşırı ısınmasına izin vermez: aşırı yüksek sıcaklıklarda, karbondioksit kayalarla daha hızlı bağlanır, ardından yer kabuğu plakalarının tektoniği nedeniyle yavaş yavaş mantoya batarlar. CO seviyesi₂düşer ve iklim soğur.

Bu mekanizmanın gezegenimiz için önemi fazla tahmin edilemez. Bir an için bir karbon klimasının arızalandığını hayal edin: diyelim ki, volkanlar patlamayı durdurdu ve bir zamanlar oraya eski kıtasal levhalarla inen Dünya'nın bağırsaklarından artık karbondioksit salmıyor. İlk buzullaşma, kelimenin tam anlamıyla sonsuz hale gelecektir, çünkü gezegende ne kadar fazla buz olursa, uzaya o kadar fazla güneş radyasyonu yansıtır. Ve CO'nun yeni bir kısmı₂ gezegeni çözemeyecek: gelecek hiçbir yeri olmayacak.

Bu tam olarak, teoride, gezegenler-okyanuslarda olması gerektiği gibi. Volkanik aktivite zaman zaman gezegensel okyanusun dibindeki egzotik buz kabuğunu yarıp geçebilse bile, bunda pek iyi bir şey yok. Gerçekten de, deniz dünyasının yüzeyinde aşırı karbondioksiti bağlayabilecek hiçbir kaya yoktur. Yani, kontrolsüz birikimi başlayabilir ve buna bağlı olarak gezegenin aşırı ısınmasına neden olabilir.

Benzer bir şey - gezegensel okyanus olmadığı doğru - Venüs'te oldu. Bunun neden olduğu tam olarak bilinmemekle birlikte, bu gezegende de levha tektoniği yoktur. Bu nedenle, oradaki volkanik patlamalar, zaman zaman kabuğun içinden geçerek atmosfere çok fazla karbondioksit salıyor, ancak yüzey onu bağlayamıyor: kıtasal plakalar batmıyor ve yenileri yükselmiyor. Bu nedenle, mevcut levhaların yüzeyi zaten tüm CO2'yi bağladı.₂, daha fazlasını emebilir ve ememez ve Venüs'te o kadar sıcaktır ki kurşun orada her zaman sıvı kalacaktır. Ve bu, modellemeye göre, Dünya'nın atmosferi ve karbon döngüsü ile bu gezegenin, Dünya'nın yaşanabilir bir ikizi olacağı gerçeğine rağmen.

Klimasız hayat olur mu?

"Karasal şovenizm" eleştirmenleri (yaşamın yalnızca "Dünya'nın kopyalarında", kesinlikle karasal koşullara sahip gezegenlerde mümkün olduğu konumu) hemen şu soruyu sordu: aslında neden herkes minerallerin kırılamayacağına karar verdi? egzotik buz tabakası? Kapak sıcak bir şeyin üzerinde ne kadar güçlü ve nüfuz edilemez olursa, altında o kadar fazla enerji birikir ve bu da patlama eğilimi gösterir. İşte aynı Venüs - plaka tektoniği yok gibi görünüyor ve karbondioksit, kelimenin tam anlamıyla ondan yaşam olmayacak şekilde derinliklerden kaçtı. Sonuç olarak, minerallerin yukarı doğru çıkarılmasıyla aynı şey mümkündür - volkanik patlamalar sırasında katı kayalar tamamen yukarı düşer.

Öyle olsa bile, başka bir sorun var - karbon döngüsünün “bozuk kliması”. Bir okyanus gezegeni onsuz yaşanabilir olabilir mi?

Güneş sisteminde, karbondioksitin iklimin ana düzenleyicisi rolünü oynamadığı birçok cisim var. İşte, diyelim ki, Titan, Satürn'ün büyük bir uydusu.

Titanyum. Fotoğraf: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Nantes Üniversitesi, Virginia Pasek, Arizona Üniversitesi

Vücut, Dünya'nın kütlesi ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilir. Bununla birlikte, Güneş'ten uzakta oluştu ve armatürün radyasyonu, nitrojen de dahil olmak üzere hafif elementleri ondan "buharlaştırmadı". Bu, Titan'a gezegenimize hakim olan gazın aynısı olan neredeyse saf nitrojenden oluşan bir atmosfer verir. Ancak nitrojen atmosferinin yoğunluğu bizimkinin dört katıdır - yerçekimi ile yedi kat daha zayıftır.

Titan'ın iklimine ilk bakışta, doğrudan formunda "karbon" klima olmamasına rağmen, son derece kararlı olduğuna dair sürekli bir his var. Titan'ın kutbu ile ekvatoru arasındaki sıcaklık farkının sadece üç derece olduğunu söylemek yeterli. Durum Dünya'da da aynı olsaydı, gezegen çok daha eşit nüfuslu ve genellikle yaşam için daha uygun olurdu.

Ayrıca, bir dizi bilimsel grup tarafından yapılan hesaplamalar göstermiştir: Atmosfer yoğunluğu Dünya'nınkinden beş kat daha yüksek, yani Titan'dan dörtte bir oranında daha yüksek olduğunda, tek başına azotun sera etkisi bile sıcaklık dalgalanmalarının düşmesi için oldukça yeterlidir. neredeyse sıfıra. Böyle bir gezegende gündüz ve gece, hem ekvatorda hem de kutupta sıcaklık her zaman aynı olurdu. Dünyevi yaşam böyle bir şeyi ancak hayal edebilir.

Gezegenler-okyanuslar yoğunlukları bakımından sadece Titan (1, 88 g / cm ³) seviyesindedir ve Dünya (5, 51 g / cm ³) değildir. Diyelim ki, bizden 40 ışıkyılı uzaklıktaki TRAPPIST-1 yaşanabilir bölgede bulunan üç gezegen, 1.71 ila 2.18 g / cm³ arasında bir yoğunluğa sahip. Başka bir deyişle, büyük olasılıkla, bu tür gezegenler, yalnızca nitrojen nedeniyle istikrarlı bir iklime sahip olmak için yeterli nitrojen atmosferi yoğunluğuna sahiptir. Karbondioksit onları kızgın Venüs'e dönüştüremez, çünkü gerçekten büyük bir su kütlesi, herhangi bir levha tektoniği olmadan bile çok fazla karbondioksit bağlayabilir (karbondioksit su tarafından emilir ve basınç ne kadar yüksek olursa, o kadar fazla içerebilir.).

derin deniz çölleri

Varsayımsal dünya dışı bakteriler ve arkeler ile her şey basit görünüyor: çok zor koşullarda yaşayabilirler ve bunun için çok fazla kimyasal elemente ihtiyaç duymazlar. Bitkiler ve onların pahasına yaşayan son derece organize bir yaşam ile daha zordur.

Yani okyanus gezegenleri istikrarlı bir iklime sahip olabilir - büyük olasılıkla Dünya'dan daha istikrarlı. Suda çözülmüş önemli miktarda mineral olması da mümkündür. Ve yine de, orada hayat hiç Shrovetide değil.

Hadi Dünya'ya bir göz atalım. Son milyonlarca yıl dışında, toprakları son derece yeşildir, neredeyse kahverengi veya sarı çöllerden yoksundur. Ancak okyanus, bazı dar kıyı bölgeleri dışında hiç yeşil görünmüyor. Nedenmiş?

Mesele şu ki, gezegenimizde okyanus biyolojik bir çöl. Yaşam karbondioksit gerektirir: bitki biyokütlesini "oluşturur" ve yalnızca ondan hayvan biyokütlesi beslenebilir. Çevremizdeki havada CO varsa₂ şu an olduğu gibi 400 ppm'den fazla, bitki örtüsü çiçek açıyor. Milyonda 150 parçadan daha az olsaydı, tüm ağaçlar ölürdü (ve bu bir milyar yıl içinde olabilir). 10 parçadan daha az CO ile₂ milyonda bir genel olarak tüm bitkiler ve onlarla birlikte tüm gerçekten karmaşık yaşam biçimleri ölecekti.

İlk bakışta, bu, denizin yaşam için gerçek bir genişlik olduğu anlamına gelmelidir. Gerçekten de, dünyanın okyanusları atmosferden yüz kat daha fazla karbondioksit içerir. Bu nedenle, bitkiler için çok fazla yapı malzemesi olmalıdır.

Aslında, hiçbir şey gerçeklerden daha uzak değildir. Dünya okyanuslarındaki su 1,35 kentilyon (milyar milyar) tondur ve atmosfer beş katrilyon (milyon milyar) tonun biraz üzerindedir. Yani, bir ton suda gözle görülür şekilde daha az CO var.₂bir ton havadan daha fazla. Dünya okyanuslarındaki su bitkileri neredeyse her zaman çok daha az CO2'ye sahiptir.₂ karasal olanlardan daha onların emrinde.

Daha da kötüsü, su bitkileri sadece ılık suda iyi bir metabolizma hızına sahiptir. Yani, içinde CO₂ en önemlisi, sudaki çözünürlüğü artan sıcaklıkla azaldığı için. Bu nedenle, algler - karasal bitkilerle karşılaştırıldığında - sürekli devasa CO eksikliği koşulları altında bulunur.₂.

Bu nedenle bilim adamlarının karasal organizmaların biyokütlesini hesaplama girişimleri, gezegenin üçte ikisini kaplayan denizin toplam biyokütleye önemsiz bir katkıda bulunduğunu göstermektedir. Herhangi bir canlının kuru kütlesindeki ana malzeme olan karbonun toplam kütlesini alırsak - toprak sakinleri, o zaman 544 milyar tona eşittir. Ve denizlerin ve okyanusların sakinlerinin bedenlerinde - sadece altı milyar ton, ustanın masasından yüzde birinden biraz fazla kırıntı.

Bütün bunlar, gezegenlerde-okyanuslarda yaşamın mümkün olmasına rağmen, çok, çok çirkin olacağı görüşüne yol açabilir. Dünyanın biyokütlesi, bir okyanusla kaplı olsaydı, diğer her şey eşit olsaydı, kuru karbon açısından sadece 10 milyar ton olurdu - şimdi olduğundan elli kat daha az.

Ancak burada bile su dünyalarına bir son vermek için çok erken. Gerçek şu ki, zaten iki atmosferlik bir basınçta, CO miktarı₂, deniz suyunda iki katından fazla çözülebilir (25 derecelik bir sıcaklık için). Atmosferleri Dünya'nınkinden dört ila beş kat daha yoğun olduğunda - ve bu tam olarak TRAPPIST-1e, g ve f gibi gezegenlerden beklediğiniz şeydir - suda o kadar çok karbondioksit olabilir ki, yerel okyanusların suyu yaklaşmaya başlayacaktır. Dünya'nın havası. Başka bir deyişle, gezegenlerdeki ve okyanuslardaki su bitkileri, kendilerini gezegenimizden çok daha iyi koşullarda bulurlar. Ve daha fazla yeşil biyokütlenin olduğu ve hayvanların daha iyi bir besin tabanına sahip olduğu yerler. Yani, Dünya'nın aksine, gezegenlerin-okyanusların denizleri çöller değil, yaşam vahaları olabilir.

Sargasso gezegenleri

Ancak okyanus gezegeni bir yanlış anlaşılma nedeniyle hala Dünya'nın atmosfer yoğunluğuna sahipse ne yapmalı? Ve burada her şey o kadar da kötü değil. Dünya'da, algler dibe tutunma eğilimindedir, ancak bunun için hiçbir koşul olmadığında, su bitkilerinin yüzebileceği ortaya çıkıyor.

Sargassum yosunlarından bazıları, yüzdürme sağlamak için hava dolu keseler kullanır (üzümlere benzerler, dolayısıyla Sargasso Denizi adındaki Portekizce "sargasso" kelimesi) ve teoride bu, CO2 almanıza izin verir.₂ kıt olduğu sudan değil, havadan. Yüzerliklerinden dolayı fotosentez yapmaları daha kolaydır. Doğru, bu tür algler yalnızca oldukça yüksek su sıcaklıklarında iyi ürerler ve bu nedenle Dünya'da yalnızca suyun çok sıcak olduğu Sargasso Denizi gibi bazı yerlerde nispeten iyidirler. Okyanus gezegeni yeterince sıcaksa, dünyanın atmosferik yoğunluğu bile deniz bitkileri için aşılmaz bir engel değildir. CO alabilirler₂ atmosferden, ılık suda düşük karbondioksit sorunlarından kaçınarak.

Sargasso yosunu. Fotoğraf: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

İlginç bir şekilde, aynı Sargasso Denizi'ndeki yüzen algler, "yüzen bir arazi" gibi bir şey olan bütün bir yüzen ekosisteme yol açar. Yengeçler orada yaşar, bunun için alglerin kaldırma kuvveti, yüzeylerinde karadaymış gibi hareket etmek için yeterlidir. Teorik olarak, okyanus gezegeninin sakin bölgelerinde, yüzen deniz bitkileri grupları oldukça "kara" yaşamı geliştirebilir, ancak orada karanın kendisini bulamayacaksınız.

Ayrıcalığını kontrol et, dünyalı

Yaşam arayışı için en umut verici yerleri belirleme sorunu, şimdiye kadar, aday gezegenler arasında en olası yaşam taşıyıcılarını seçmemize izin verecek çok az veriye sahip olmamızdır. Kendi başına, "yaşanabilir bölge" kavramı burada en iyi yardımcı değildir. İçinde, yıldızlarından, yüzeylerinin en azından bir kısmında sıvı rezervuarları desteklemek için yeterli miktarda enerji alan bu gezegenler, yaşam için uygun kabul edilir. Güneş sisteminde hem Mars hem de Dünya yaşanabilir bölgededir, ancak yüzeydeki ilk karmaşık yaşam bir şekilde algılanamaz.

Bunun temel nedeni, temelde farklı bir atmosfere ve hidrosfere sahip Dünya ile aynı dünya olmamasıdır. "Gezegen-okyanus Dünya'dır, ancak yalnızca suyla kaplıdır" tarzında doğrusal temsil, bizi 20. yüzyılın başında Mars'ın yaşam için uygunluğu hakkında var olan aynı yanılgıya götürebilir. Gerçek okyanuslar gezegenimizden keskin bir şekilde farklı olabilir - tamamen farklı bir atmosfere, farklı iklim stabilizasyon mekanizmalarına ve hatta deniz bitkilerine karbondioksit sağlamak için farklı mekanizmalara sahiptirler.

Su dünyalarının gerçekte nasıl çalıştığına dair ayrıntılı bir anlayış, onlar için yaşanabilir bölgenin ne olacağını önceden anlamamızı ve böylece James Webb ve diğer umut verici büyük teleskoplarda bu tür gezegenlerin ayrıntılı gözlemlerine hızla yaklaşmamızı sağlar.

Özetlersek, çok yakın zamana kadar, hangi dünyaların gerçekten yerleşik olduğu ve hangilerinin yaşamadığı konusundaki fikirlerimizin, insanmerkezcilik ve yermerkezcilikten çok fazla zarar gördüğünü kabul etmekten başka bir şey yapılamaz. Ve şimdi ortaya çıktığı gibi, "sumerkezcilik" ten - kendimiz karada ortaya çıktıysak, o zaman sadece gezegenimizde değil, diğer güneşlerde de yaşamın gelişiminde en önemli yer olduğu görüşü. Belki de önümüzdeki yılların gözlemleri bu açıdan bakılmamış bir taş bırakmayacaktır.