Обитаемость естественных спутников - Habitability of natural satellites

Европа потенциально обитаемый луна Юпитер.

В обитаемость естественных спутников это мера потенциала естественные спутники иметь среду гостеприимный к жизнь.[1] Пригодная для жизни среда не обязательно является убежищем для жизни. Обитаемость естественных спутников - это новая область, которая считается важной для астробиология по нескольким причинам, в первую очередь из-за того, что количество естественных спутников, по прогнозам, значительно превзойдет количество планет, и предполагается, что факторы обитаемости, вероятно, будут аналогичны те из планет.[2][3] Однако существуют ключевые экологические различия, которые влияют на спутники как на потенциальные места для внеземная жизнь.

Самыми сильными кандидатами на естественную обитаемость спутников в настоящее время являются ледяные спутники.[4] такие как у Юпитер и Сатурн —Европа[5] и Энцелад[6] соответственно, хотя, если жизнь существует в любом месте, она, вероятно, будет ограничена подземными средами обитания. Исторически жизнь на Земле считалась чисто поверхностным явлением, но недавние исследования показали, что до половины биомассы Земли может жить под поверхностью.[7] Европа и Энцелад существуют за пределами околозвездная обитаемая зона который исторически определял пределы жизни в Солнечной системе как зону, в которой вода может существовать в жидком виде на поверхности. В обитаемой зоне Солнечной системы есть только три естественных спутника - Луна, и спутники Марса Фобос и Деймос (хотя по некоторым оценкам Марс и его спутники находятся немного за пределами обитаемой зоны)[8] - ни один из них не поддерживает атмосферу или воду в жидкой форме. Приливные силы будут играть такую ​​же важную роль в обеспечении тепла, как звездное излучение в потенциальной обитаемости естественных спутников.[9][10]

Экзолуния еще не подтверждены. Обнаружить их чрезвычайно сложно, поскольку современные методы ограничены временем прохождения.[11] Возможно, что некоторые из их атрибутов могут быть определены теми же методами, что и у транзитных планет.[12] Несмотря на это, по оценкам некоторых ученых, обитаемых экзолуний столько же, сколько обитаемых экзопланет.[2][13] Учитывая общее соотношение масс планеты и спутников, равное 10 000, большие газовые планеты размером с Сатурн или Юпитер в обитаемой зоне считаются лучшими кандидатами на то, чтобы укрыть спутники, похожие на Землю.[14]

Предполагаемые условия

Условия обитаемости естественных спутников аналогичны условиям обитаемости. планетарная обитаемость. Однако есть несколько факторов, которые дифференцируют естественную обитаемость спутников и дополнительно расширяют их обитаемость за пределы планетарной обитаемой зоны.[15]

Жидкая вода

Основная статья: Внеземная жидкая вода

Большинство астробиологов считают жидкую воду необходимой предпосылкой для существования внеземной жизни. Появляется все больше свидетельств наличия подземной жидкой воды на нескольких лунах Солнечной системы, вращающихся вокруг Земли. газовые гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, и Нептун. Однако ни один из этих подземных водоемов на сегодняшний день не подтвержден.

Орбитальная стабильность

Для стабильной орбиты соотношение лунных орбитальный период пs вокруг своей главной и основной вокруг своей звезды пп должно быть <1⁄9, например если планете требуется 90 дней для обращения вокруг своей звезды, максимальная стабильная орбита луны этой планеты составляет менее 10 дней.[16][17] Моделирование предполагает, что луна с орбитальным периодом менее 45-60 дней останется в безопасности привязанной к массивной планете-гиганту или коричневый карлик что вращается вокруг 1 Австралия от звезды, подобной Солнцу.[18]

Атмосфера

Астробиологи считают, что атмосфера важна для развития. пребиотическая химия, поддерживая жизнь и существование поверхностных вод. У большинства естественных спутников Солнечной системы отсутствуют существенные атмосферы, за исключением луны Сатурна. Титан.

Распыление, процесс, при котором атомы выбрасываются из твердого материала мишени из-за бомбардировки мишени энергичными частицами, представляет собой серьезную проблему для естественных спутников. Все газовые гиганты Солнечной системы и, вероятно, те, которые вращаются вокруг других звезд, имеют магнитосферы с радиационными поясами, достаточно мощными, чтобы полностью разрушить атмосферу земной луны всего за несколько сотен миллионов лет. Сильные звездные ветры также могут отделять атомы газа от верхних слоев атмосферы, вызывая их потерю в космосе.

Чтобы поддерживать атмосферу земного типа в течение примерно 4,6 миллиарда лет (текущий возраст Земли), Луне с плотностью, подобной марсианской, требуется не менее 7% массы Земли.[19] Один из способов уменьшить потери от распыления - это сделать луну сильной. магнитное поле сам по себе, что может отклонить звездный ветер и радиационные пояса. НАСА Галилея измерения показывают, что большие луны могут иметь магнитные поля; он нашел Ганимед имеет собственную магнитосферу, хотя ее масса составляет всего 2,5% от массы Земли.[18] В качестве альтернативы, атмосфера Луны может постоянно пополняться газами из подземных источников, как полагают некоторые ученые в случае с Титаном.[нужна цитата ]

Приливные эффекты

Хотя эффекты приливное ускорение относительно скромны на планетах, он может быть значительным источником энергии для естественных спутников и альтернативным источником энергии для поддержания жизни.

Луны на орбите газовые гиганты или же коричневые карлики скорее всего будет приливно заблокирован к их первичному: то есть их дни такие же длинные, как их орбиты. Хотя приливная блокировка может отрицательно влиять на планеты в обитаемых зонах, препятствуя распределению звездного излучения, она может работать в пользу обитаемости спутников, позволяя приливное отопление. Ученые НАСА Исследовательский центр Эймса смоделировал температуру на экзопланетах с закрытыми приливами зона обитаемости из красный карлик звезды. Они обнаружили, что атмосфера с двуокисью углерода (CO
2) давление всего 1–1,5 стандартных атмосфер (15–22 фунта на квадратный дюйм) не только допускает обитаемые температуры, но и допускает наличие жидкой воды на темной стороне спутника. Температурный диапазон Луны, которая приливно привязана к газовому гиганту, может быть менее экстремальным, чем на планете, привязанной к звезде. Несмотря на то, что никаких исследований по этой теме не проводилось, небольшое количество CO
2 предполагаются, чтобы сделать температуру пригодной для жизни.[18]

Приливные эффекты также могут позволить луне выдержать тектоника плит, что может вызвать вулканическую активность, чтобы регулировать температуру Луны[20][21] и создать эффект геодинамо что дало бы спутнику сильный магнитное поле.[22]

Наклон оси и климат

При условии, что гравитационным взаимодействием Луны с другими спутниками можно пренебречь, луны, как правило, приливно связаны со своими планетами. В дополнение к упомянутой выше блокировке вращения, будет также процесс, называемый «наклонной эрозией», который первоначально был придуман для приливной эрозии наклона планеты относительно орбиты планеты вокруг своей звезды-хозяина.[23] Таким образом, конечное состояние вращения Луны состоит из периода вращения, равного периоду ее обращения вокруг планеты, и оси вращения, перпендикулярной плоскости орбиты.

Если масса Луны не слишком мала по сравнению с планетой, это, в свою очередь, может стабилизировать ее осевой наклон, т.е. его наклон относительно орбиты вокруг звезды. На Земле Луна сыграл важную роль в стабилизации наклона оси Земли, тем самым уменьшив влияние гравитационных возмущений от других планет и обеспечив лишь умеренные колебания климата на всей планете.[24] На Марс однако планета без значительных приливных эффектов от ее спутников относительно малой массы Фобос и Деймос, осевой наклон может претерпевать резкие изменения от 13 ° до 40 ° во времени 5 к 10 миллионов лет.[25][26]

Быть привязанным к гигантской планете или суб-коричневый карлик позволил бы более умеренный климат на Луне, чем был бы, если бы Луна была планетой такого же размера, вращающейся с синхронным вращением в обитаемой зоне звезды.[27] Особенно это касается красный карлик системы, в которых сравнительно высокие гравитационные силы и низкая светимость покидают обитаемую зону в области, где может произойти приливная блокировка. Если приливная синхронизация заблокирована, одно вращение вокруг оси может занять много времени относительно планеты (например, игнорируя небольшой наклон оси Луны и топографическое затенение, любая заданная точка на ней имеет две недели - по земному времени - солнечного света и две недели ночи в лунный день), но эти длительные периоды света и тьмы не так сложны для обитаемости, как вечные дни и вечные ночи на планете, приливно привязанной к своей звезде.

В солнечной системе

Ниже приводится список естественных спутников и сред Солнечной системы с возможностью размещения обитаемых сред:

ИмяСистемаСтатьяПримечания
ЕвропаЮпитерКолонизация ЕвропыПредполагалось, что подземный океан поддерживается геологической деятельностью, приливным нагревом и облучением.[28][29] На Луне может быть больше воды и кислорода, чем на Земле и кислородной экзосфере.[30]
ЭнцеладСатурнЭнцелад - потенциальная обитаемостьПредполагалось, что у него есть подземный океан с жидкой водой из-за приливное отопление[31] или геотермальная деятельность.[32] Свободный молекулярный водород (H2) был обнаружен, обеспечивая еще один потенциальный источник энергии для жизни.[33]
ТитанСатурнКолонизация ТитанаСчитается, что его атмосфера похожа на атмосферу ранней Земли, но несколько толще. Поверхность характеризуется углеводородными озерами, криовулканы, и метановый дождь и снег. Как и Земля, Титан защищен от солнечного ветра магнитосферой, в данном случае его родительской планетой на протяжении большей части своей орбиты, но взаимодействия с атмосферой Луны остается достаточным для облегчения создания сложных органических молекул. Имеет отдаленную возможность экзотического биохимия на основе метана.[34]
КаллистоЮпитерКаллисто - потенциальная обитаемостьПредполагалось, что подземный океан нагревается приливными силами.[35][36]
ГанимедЮпитерГанимед - Подземные океаныПредполагалось, что в нем есть магнитное поле, лед и подземные океаны, уложенные в несколько слоев, с соленой водой в качестве второго слоя поверх твердого железного ядра.[37][38]
ИоЮпитерИз-за близости к Юпитеру он подвергается интенсивному приливному нагреву, что делает его самым вулканически активным объектом в мире. Солнечная система. В дегазация создает следовую атмосферу.[39]
ТритонНептунЕго высокое наклонение орбиты относительно экватора Нептуна вызывает значительный приливный нагрев,[40] что предполагает слой жидкой воды или подповерхностный океан.[41]
ДионаСатурнДанные, собранные в 2016 году, предполагают, что внутренний водный океан под 100 км коры, возможно, пригоден для микробной жизни.[нужна цитата ]
ХаронПлутонВозможный внутренний океан воды и аммиака на основании предполагаемой криовулканической активности.[42]

Внесолнечный

Дальнейшая информация: Exomoon
Смотрите также: Категория: Гигантские планеты в обитаемой зоне.
Впечатление художника от гипотетического Луна вокруг подобного Сатурну экзопланета это могло быть обитаемым.

Всего было обнаружено 9 кандидатов в экзолуны, но ни один из них не подтвержден.

Учитывая общее соотношение масс планеты и спутника (ов), равное 10 000, считается, что газовые планеты размером с Большой Сатурн или Юпитер в обитаемой зоне являются лучшими кандидатами на то, чтобы к 2018 году укрыть спутники земного типа с более чем 120 такими планетами.[14] Известно, что массивные экзопланеты находятся в обитаемой зоне (например, Gliese 876 b, 55 Cancri f, Ипсилон Андромеды d, 47 Большая Медведица b, HD 28185 b и HD 37124 c ) представляют особый интерес, поскольку потенциально могут иметь естественные спутники с жидкой водой на поверхности.

Пригодность внесолнечных спутников будет зависеть от звездного и планетарного освещения на спутниках, а также от влияния затмений на их осредненное по орбите поверхностное освещение.[43] Помимо этого, приливное нагревание может сыграть роль для обитаемости Луны. В 2012 году ученые представили концепцию определения обитаемых орбит лун;[43] они определяют внутреннюю границу пригодной для жизни луны вокруг определенной планеты и называют ее околопланетной «обитаемой границей». Луны, расположенные ближе к их планете, чем край обитания, непригодны для жизни. Когда эффекты затмений, а также ограничения, связанные с орбитальной стабильностью спутника, используются для моделирования предела убегающих парниковых газов гипотетических лун, считается, что - в зависимости от эксцентриситета орбиты Луны - минимальная масса звезды составляет примерно 0,20 солнечной массы. принимать обитаемые луны в пределах звездной обитаемой зоны.[17] Магнитная среда экзолуны, которая критически запускается внутренним магнитным полем планеты-хозяина, была идентифицирована как еще один фактор обитаемости экзолуны.[44] В частности, было обнаружено, что спутники на расстоянии примерно от 5 до 20 радиусов планеты от планеты-гиганта могут быть обитаемы с точки зрения освещения и приливного нагрева.[44] но все же планетная магнитосфера будет критически влиять на их обитаемость.[44]

В популярной культуре

В научной фантастике часто встречаются естественные спутники, в которых обитает жизнь. Известные примеры в фильме включают: Луна Земли в Путешествие на Луну (1903); Явин-4 из Звездные войны (1977); Эндор в Возвращение джедая (1983); LV-426 дюйм Иностранец (1979) и Инопланетяне (1986); Пандора в Аватар (2009);[45] LV-223 дюйм Прометей (2012); и, Европа в Отчет о Европе (2013).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дайчес, Престон; Чоу, Фелсия (7 апреля 2015 г.). «Солнечная система и за ее пределами омывается водой». НАСА. Получено 8 апреля 2015.
  2. ^ а б Шрайбер, Майкл (26 октября 2009 г.). «Обнаружение благоприятных для жизни спутников». Журнал Astrobiology. Получено 9 мая 2013.
  3. ^ Ву, Маркус (27 января 2015 г.). «Почему мы ищем инопланетную жизнь на лунах, а не только на планетах». Проводной. Получено 27 января 2015.
  4. ^ Кастильо, Джули; Вэнс, Стив (2008). «Сессия 13. Глубокая холодная биосфера? Внутренние процессы ледяных спутников и карликовых планет». Астробиология. 8 (2): 344–346. Bibcode:2008 AsBio ... 8..344C. Дои:10.1089 / аст.2008.1237. ISSN  1531-1074.
  5. ^ Гринберг, Ричард (2011). «Исследование и защита биосферы Европы: последствия проницаемого льда». Астробиология. 11 (2): 183–191. Bibcode:2011AsBio..11..183G. Дои:10.1089 / ast.2011.0608. ISSN  1531-1074. PMID  21417946.
  6. ^ Паркинсон, Кристофер Д.; Лян, Мао-Чанг; Yung, Yuk L .; Киршивнк, Джозеф Л. (2008). «Обитаемость Энцелада: планетарные условия для жизни». Истоки жизни и эволюция биосфер. 38 (4): 355–369. Bibcode:2008 ОЛЕБ ... 38..355П. Дои:10.1007 / s11084-008-9135-4. ISSN  0169-6149. PMID  18566911. S2CID  15416810.
  7. ^ Бойд, Роберт С. (8 марта 2010 г.). «Похоронен заживо: половина жизни Земли может лежать под землей, морем». Макклатчи, округ Колумбия. Архивировано из оригинал на 24.04.2014.
  8. ^ «Миссия Феникс Марс - Обитаемость и биология». Университет Аризоны. 2014-04-24. В архиве из оригинала от 24.04.2014.
  9. ^ Коуэн, Рон (2007-06-07). "Блуждающая луна". Новости науки.
  10. ^ Брайнер, Жанна (24 июня 2009 г.). "Океан, скрытый внутри луны Сатурна". Space.com. TechMediaNetwork. Получено 22 апреля 2013.
  11. ^ Киппинг, Дэвид М .; Фосси, Стивен Дж .; Кампанелла, Джаммарко (2009). «Об обнаружении обитаемых экзолуний с помощью фотометрии класса Кеплера». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 400 (1): 398–405. arXiv:0907.3909. Bibcode:2009МНРАС.400..398К. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2009.15472.x. ISSN  0035-8711. S2CID  16106255.
  12. ^ Калтенеггер, Л. (2010). «Характеристика обитаемых экзолуний». Астрофизический журнал. 712 (2): L125 – L130. arXiv:0912.3484. Bibcode:2010ApJ ... 712L.125K. Дои:10.1088 / 2041-8205 / 712/2 / L125. ISSN  2041-8205. S2CID  117385339.
  13. ^ "Экзолуны могут быть так же вероятны, как и экзопланеты, как утверждают ученые". Космос вверх. 21 мая 2018. Получено 27 мая 2018.
  14. ^ а б Йоргенсон, Эмбер (5 июня 2018 г.). «Данные Кеплера показывают, что 121 газовый гигант может содержать обитаемые луны». Астрономия.
  15. ^ Шарф, Калеб А. (4 октября 2011 г.). "Exomoons Ever Closer". Scientific American.
  16. ^ Киппинг, Дэвид (2009). «Временные эффекты транзита из-за экзолуны». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 392 (1): 181–189. arXiv:0810.2243. Bibcode:2009МНРАС.392..181К. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2008.13999.x. S2CID  14754293.
  17. ^ а б Хеллер, Р. (2012). «Обитаемость экзолуны ограничена потоком энергии и орбитальной стабильностью». Астрономия и астрофизика. 545: L8. arXiv:1209.0050. Bibcode:2012A & A ... 545L ... 8H. Дои:10.1051/0004-6361/201220003. ISSN  0004-6361. S2CID  118458061.
  18. ^ а б c LePage, Эндрю Дж. (1 августа 2006 г.). «Обитаемые луны». Небо и телескоп.
  19. ^ «В поисках пригодных для жизни лун». Государственный университет Пенсильвании. Получено 2011-07-11.
  20. ^ Глацмайер, Гэри А. «Как работают вулканы - влияние вулканов на климат». Получено 29 февраля 2012.
  21. ^ "Исследование Солнечной системы: Ио". Исследование Солнечной Системы. НАСА. Получено 29 февраля 2012.
  22. ^ Нейв, Р. «Магнитное поле Земли». Получено 29 февраля 2012.
  23. ^ Хеллер, Рене; Барнс, Рори; Леконт, Жереми (апрель 2011 г.). «Приливная наклонность потенциально обитаемых планет». Астрономия и астрофизика. 528: A27. arXiv:1101.2156. Bibcode:2011A и A ... 528A..27H. Дои:10.1051/0004-6361/201015809. S2CID  118784209.
  24. ^ Хенни, Пол. «Как взаимодействуют Земля и Луна». Астрономия сегодня. Получено 25 декабря 2011.
  25. ^ «Марс 101 - Обзор». Марс 101. НАСА. Получено 25 декабря 2011.
  26. ^ Армстронг, Джон С .; Leovy, Conway B .; Куинн, Томас (октябрь 2004 г.). «Модель климата Марса в 1 млрд лет: новая орбитальная статистика и важность сезонно разрешенных полярных процессов». Икар. 171 (2): 255–271. Bibcode:2004Icar..171..255A. Дои:10.1016 / j.icarus.2004.05.007.
  27. ^ Чой, Чарльз К. (27 декабря 2009 г.). «Могли быть найдены луны, подобные Пандоре Аватара». Space.com. Получено 16 января 2012.
  28. ^ Greenberg, R .; Hoppa, G. V .; Tufts, B.R .; Geissler, P .; Райли, Дж .; Кадел, С. (октябрь 1999 г.). «Хаос на Европе». Икар. 141 (2): 263–286. Bibcode:1999Icar..141..263G. Дои:10.1006 / icar.1999.6187.
  29. ^ Schmidt, B.E .; Бланкеншип, Д. Д .; Паттерсон, Дж. У. (ноябрь 2011 г.). «Активное формирование« хаотической местности »над неглубокими подповерхностными водами Европы». Природа. 479 (7374): 502–505. Bibcode:2011Натура.479..502S. Дои:10.1038 / природа10608. PMID  22089135. S2CID  4405195.
  30. ^ «Луна Юпитера может поддерживать жизнь: у Европы есть жидкий океан, который находится под несколькими милями льда». NBC News. 2009-10-08. Получено 2011-07-10.
  31. ^ Робертс, Дж. Х .; Ниммо, Фрэнсис (2008). «Приливное нагревание и долговременная стабильность подповерхностного океана на Энцеладе». Икар. 194 (2): 675–689. Bibcode:2008Icar..194..675R. Дои:10.1016 / j.icarus.2007.11.010.
  32. ^ Бойл, Алан (9 марта 2006 г.). «Жидкая вода на Луне Сатурна может поддерживать жизнь: космический корабль Кассини видит признаки гейзеров на ледяном Энцеладе». Новости NBC. Получено 2011-07-10.
  33. ^ Нилд, Дэвид (13 апреля 2017 г.). "НАСА: Энцелад Луны Сатурна имеет все основные ингредиенты для жизни". sciencealert.com.
  34. ^ «Колонизация Титана? Новые ключи к разгадке того, что потребляет водород, ацетилен на Луне Сатурна». Science Daily. 2010-06-07. Получено 2011-07-10.
  35. ^ Филлипс, Т. (1998-10-23). «Каллисто произвела фурор». Наука @ НАСА. Архивировано из оригинал на 2009-12-29.
  36. ^ Lipps, Jere H .; Делори, Грегори; Питман, Джо; и другие. (2004). Гувер, Ричард Б; Левин, Гилберт V; Розанов Алексей Юрьевич (ред.). "Астробиология ледяных спутников Юпитера" (PDF). Proc. SPIE. Инструменты, методы и задачи астробиологии VIII. 5555: 10. Bibcode:2004SPIE.5555 ... 78L. Дои:10.1117/12.560356. S2CID  140590649. Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-08-20.
  37. ^ "Ганимед-Май - гавань" клубного сэндвича из океанов и льда ". Лаборатория реактивного движения @ НАСА. 2014-05-04.
  38. ^ Вэнс, Стив; и другие. (2014). «Астробиология ледяных спутников Юпитера». Планетарная и космическая наука. Инструменты, методы и задачи астробиологии VIII. 96: 62. Bibcode:2014П & СС ... 96 ... 62 В. Дои:10.1016 / j.pss.2014.03.011.
  39. ^ Чарльз К. Чой (07.06.2010). "Шанс на жизнь на Ио". Science Daily. Получено 2011-07-10.
  40. ^ Ниммо, Фрэнсис (15 января 2015 г.). «Обеспечение недавней геологической активности Тритона наклонными приливами: последствия для геологии Плутона». Икар. 246: 2–10. Дои:10.1016 / j.icarus.2014.01.044.
  41. ^ Луи Нил Ирвин; Дирк Шульце-Макух (июнь 2001 г.). «Оценка правдоподобия жизни в иных мирах». Астробиология. 1 (2): 143–60. Bibcode:2001 AsBio ... 1..143I. Дои:10.1089/153110701753198918. PMID  12467118.
  42. ^ Мейси, Ричард (19 июля 2007 г.). "Вода на луне Плутона". Sydney Morning Herald.
  43. ^ а б Хеллер, Рене; Рори Барнс (2012). «Обитаемость экзолуны ограничена освещением и приливным отоплением». Астробиология. 13 (1): 18–46. arXiv:1209.5323. Bibcode:2013AsBio..13 ... 18H. Дои:10.1089 / ast.2012.0859. ЧВК  3549631. PMID  23305357.
  44. ^ а б c Хеллер, Рене (сентябрь 2013 г.). «Магнитное экранирование экзолун за пределами обитаемой околопланетной границы». Письма в астрофизический журнал. 776 (2): L33. arXiv:1309.0811. Bibcode:2013ApJ ... 776L..33H. Дои:10.1088 / 2041-8205 / 776/2 / L33. S2CID  118695568.
  45. ^ Маккай, Робин (13 января 2013 г.). "Есть ли жизнь на лунах?". Хранитель. Получено 15 января 2017.