Галактическая обитаемая зона - Galactic habitable zone

В астробиология и планетарный астрофизика, то галактическая обитаемая зона это область галактика в котором жизнь скорее всего может развиться. В концепции галактической обитаемой зоны анализируются различные факторы, такие как металличность (наличие элементов тяжелее водорода и гелия) и частота крупных катастроф, таких как сверхновые, и использует их, чтобы вычислить, какие области галактики с большей вероятностью образуют планеты земной группы, изначально развивайте простую жизнь и создавайте подходящую среду для развития и развития этой жизни.^[1] Согласно исследованию, опубликованному в августе 2015 года, очень большие галактики могут способствовать рождению и развитию обитаемых планет больше, чем меньшие галактики, такие как Млечный Путь.^[2] В случае Млечного Пути его обитаемая галактическая зона обычно считается кольцо с внешним радиусом около 10 килопарсек (33,000 лы ) и внутренним радиусом, близким к Галактический Центр (с обоими радиусами без жестких границ).^[1][3]

Теория обитаемых зон Галактики подверглась критике из-за неспособности точно количественно оценить факторы, делающие область галактики благоприятной для возникновения жизни.^[3] Кроме того, компьютерное моделирование предполагает, что звезды могут значительно менять свои орбиты вокруг галактического центра, что ставит под сомнение, по крайней мере, часть точки зрения о том, что одни галактические области обязательно более жизнеобеспечивающие, чем другие.^[4][5][6]

Фон

Идея околозвездная обитаемая зона был представлен в 1953 году Хубертус Стругхольд и Харлоу Шепли^[7][8] а в 1959 г. Су-Шу Хуанг^[9] как область вокруг звезды, в которой вращающаяся планета может удерживать воду на своей поверхности. С 1970-х годов ученые-планетологи и астробиологи начали рассматривать различные другие факторы, необходимые для создания и поддержания жизни, в том числе влияние ближайшего сверхновая звезда может повлиять на развитие жизни.^[10] В 1981 году компьютерный ученый Джим Кларк предположил, что очевидное отсутствие внеземные цивилизации в Млечном Пути можно объяснить Зейферт -типа вспышки активное ядро ​​галактики, причем только Земля защищена от этого излучения в силу своего расположения в галактике.^[11] В том же году, Уоллес Хэмптон Такер проанализировал обитаемость галактик в более общем контексте, но более поздние работы вытеснили его предложения.^[12]

Современная галактическая теория обитаемых зон была представлена ​​в 1986 году Л.С. Марочника и Л.М.Мухина Российский институт космических исследований, который определил зону как регион, в котором разумный жизнь могла процветать.^[13] Дональд Браунли и палеонтолог Питер Уорд расширил концепцию галактической обитаемой зоны, а также другие факторы, необходимые для появления сложная жизнь, в их книге 2000 года Редкая земля: почему сложная жизнь необычна во Вселенной.^[14] В этой книге авторы использовали галактическую обитаемую зону, среди других факторов, чтобы доказать, что разумная жизнь не является обычным явлением во Вселенной.

Идея галактической обитаемой зоны получила дальнейшее развитие в 2001 году в статье Уорда и Браунли в сотрудничестве с Гильермо Гонсалес из Вашингтонский университет.^[15][16] В этой статье Гонсалес, Браунли и Уорд заявили, что регионы вблизи галактическое гало не хватало бы более тяжелых элементов, необходимых для производства обитаемый планеты земной группы, таким образом создавая внешний предел размера галактической обитаемой зоны.^[10] Однако нахождение слишком близко к галактическому центру подвергло бы планету, в противном случае пригодную для жизни, многочисленным сверхновым и другим энергетическим космическим событиям, а также чрезмерным кометный воздействия, вызванные возмущениями родительской звезды Облако Оорта. Таким образом, авторы установили внутреннюю границу галактической обитаемой зоны, расположенную сразу за пределами галактическая выпуклость.^[10]

Соображения

Чтобы определить место в галактике как часть галактической обитаемой зоны, необходимо учесть множество факторов. К ним относятся распределение звезд и спиральных рукавов, наличие или отсутствие активного галактического ядра, частота близлежащих сверхновые которые могут угрожать существованию жизни, металличность этого места и других факторов.^[10] Без учета этих факторов регион галактики не может эффективно создавать или поддерживать жизнь.

Химическая эволюция

Металличность тонкого галактического диска намного больше, чем у внешнего галактического гало.

Одним из самых основных требований для существования жизни вокруг звезды является способность этой звезды производить планета земного типа достаточной массы, чтобы выдержать его. Различные элементы, такие как утюг, магний, титан, углерод, кислород, кремний, и другие, необходимы для создания пригодных для жизни планет, и их концентрация и соотношение варьируются по всей галактике.^[10]

Одним из важных элементных соотношений является соотношение [Fe /ЧАС ], один из факторов, определяющих склонность региона галактики к образованию планет земной группы. В галактическая выпуклость, область галактики, ближайшая к центру Галактики, имеет распределение [Fe / H] с максимумом при −0,2 десятичные экспоненты (dex) относительно солнце соотношение; в тонкий диск, где солнце расположен, имеет среднюю металличность -0,02 dex на орбитальном расстоянии Солнца вокруг галактического центра, уменьшаясь на 0,07 dex за каждое дополнительное килопарсек орбитального расстояния. Расширенный толстый диск имеет средний [Fe / H] -0,6 dex, в то время как гало область, наиболее удаленная от центра Галактики, имеет самый низкий пик распределения [Fe / H], около −1,5 dex.^[10] Кроме того, такие отношения, как [C / O], [Mg / Fe], [Si / Fe] и [S / Fe], могут иметь отношение к способности области галактики образовывать пригодные для жизни планеты земной группы, а также эти [Mg / Fe] и [Si / Fe] медленно уменьшаются со временем, а это означает, что будущие планеты земной группы с большей вероятностью будут иметь более крупные железные ядра.^[10]

В дополнение к определенному количеству различных стабильных элементов, составляющих массу планеты земного типа, изобилие радионуклиды Такие как ⁴⁰K, ²³⁵U, ²³⁸ U и ²³²Чт требуется для обогрева внутренней части планеты и обеспечения жизнедеятельности таких процессов, как тектоника плит, вулканизм, а геомагнитное динамо.^[10] Отношения [U / H] и [Th / H] зависят от соотношения [Fe / H]; однако общая функция обилия ⁴⁰K не может быть создан с существующими данными.^[10]

Даже на обитаемой планете с достаточным количеством радиоизотопов, чтобы нагреть ее внутреннюю часть, необходимы различные молекулы пребиотиков, чтобы произвести жизнь; следовательно, распределение этих молекул в галактике важно для определения галактической обитаемой зоны.^[13] Исследование 2008 г. Саманта Блэр и его коллеги попытались определить внешний край галактической обитаемой зоны посредством анализа формальдегид и монооксид углерода выбросы из различных гигантские молекулярные облака разбросаны по Млечному Пути; однако эти данные не являются окончательными и полными.

В то время как высокая металличность благоприятна для создания земных внесолнечные планеты, избыточное количество может быть вредным для жизни. Избыточная металличность может привести к образованию большого количества газовые гиганты в данной системе, которые впоследствии могут мигрировать из-за пределов системы линия мороза и стать горячие юпитеры, тревожащие планеты, которые в противном случае были бы расположены в околозвездной обитаемой зоне системы.^[17] Таким образом, было установлено, что Принцип Златовласки относится и к металличности; Системы с низкой металличностью имеют низкую вероятность образования планет земной массы, в то время как чрезмерная металличность вызывает развитие большого количества газовых гигантов, нарушая орбитальную динамику системы и изменяя обитаемость планет земной группы в системе.

Катастрофические события

Влияние сверхновых на протяженность обитаемой зоны Галактики широко изучалось.

Помимо того, что звезда находится в области галактики, которая является химически благоприятной для развития жизни, она также должна избегать чрезмерного количества катастрофических космических событий, способных нанести ущерб жизни на ее планетах, которые в противном случае пригодны для жизни.^[17] Например, близлежащие сверхновые звезды могут серьезно повредить жизни на планете; с чрезмерной частотой такие катастрофические вспышки могут стерилизовать целую область галактики на миллиарды лет. Галактическая выпуклость, например, испытала начальную волну чрезвычайно быстрого звездообразования,^[10] вызвав каскад сверхновых, который в течение пяти миллиардов лет оставил эту область почти полностью неспособной к развитию жизни.

Помимо сверхновых, гамма-всплески,^[18] чрезмерное количество излучения, гравитационные возмущения^[17] и различные другие события были предложены, чтобы повлиять на распределение жизни в галактике. К ним относятся, спорно, такие предложения, как «галактические приливы» с потенциалом, чтобы побудить кометные или даже холодный тела темная материя^[18] которые проходят через организмы и вызывают генетические мутации.^[19] Однако влияние многих из этих событий может быть трудно определить количественно.^[17]

Галактическая морфология

Различные морфологические особенности галактик могут влиять на их способность к обитанию. Спиральные рукава, например, являются местом звездообразования, но они содержат множество гигантских молекулярных облаков и высокую плотность звезд, которые могут нарушить звездообразование. Облако Оорта, посылая лавины комет и астероидов к планетам дальше.^[20] Кроме того, высокая плотность звезд и скорость массового звездообразования могут подвергать любые звезды, вращающиеся внутри спиральных рукавов слишком долго, взрывам сверхновых, снижая их перспективы выживания и развития жизни.^[20] Учитывая эти факторы, солнце выгодно расположен внутри галактики, потому что, помимо того, что он находится за пределами спирального рукава, он вращается около круг коротации, максимизируя интервал между пересечениями спиральных рукавов.^[20][21]

Спиральные рукава также могут вызывать климатические изменения на планете. Проходя сквозь плотные молекулярные облака спиральных рукавов галактик, звездные ветры может быть отодвинута до такой степени, что отражающий слой водорода накапливается в атмосфере вращающейся планеты, что может привести к снежный ком Земля сценарий.^[6][22]

А галактический бар также может повлиять на размер обитаемой галактической зоны. Считается, что галактические перемычки со временем растут, в конечном итоге достигая радиуса коротации галактики и нарушая орбиты расположенных там звезд.^[21] Звезды с высокой металличностью, такие как, например, наше Солнце, расположенные в промежуточном месте между галактическим гало с низкой металличностью и центром галактики с высоким уровнем излучения, могут быть разбросаны по всей галактике, влияя на определение галактической зоны обитания. Было высказано предположение, что по этой причине невозможно правильно определить галактическую обитаемую зону.^[21]

Границы

Галактическую обитаемую зону часто рассматривают как кольцо в 7-9 кпк от центра галактики, показанное здесь зеленым, хотя недавние исследования поставили это под сомнение.

Ранние исследования галактической обитаемой зоны, включая работу Гонсалеса, Браунли и Уорда 2001 года, не определяли каких-либо конкретных границ, а просто констатировали, что зона была кольцевым пространством, охватывающим область галактики, которая была одновременно обогащена металлами и избавлена ​​от чрезмерное излучение, и такая обитаемость будет более вероятной в тонком диске галактики.^[10] Однако более поздние исследования, проведенные в 2004 году Лайнуивером и его коллегами, действительно установили границы этого кольца, в случае Млечного Пути, в пределах от 7 кпк до 9 кпк от центра Галактики.

Команда Лайнуивера также проанализировала эволюцию обитаемой зоны Галактики во времени, обнаружив, например, что звезды, близкие к галактическому балджу, должны были сформироваться в пределах временного окна около двух миллиардов лет, чтобы иметь обитаемые планеты.^[17] До этого окна звезды с выпуклостью галактики не могли бы иметь планеты, поддерживающие жизнь, из-за частых вспышек сверхновых. Однако после того, как угроза сверхновой утихнет, возрастающая металличность галактического ядра в конечном итоге будет означать, что у звезд там будет большое количество планет-гигантов с потенциалом дестабилизации звездных систем и радикального изменения орбиты любой планеты, расположенной в звездном пространстве. околозвездная обитаемая зона.^[17] Моделирование, проведенное в 2005 г. Вашингтонский университет Однако показывают, что даже в присутствии горячих юпитеров планеты земной группы могут оставаться стабильными в течение длительного времени.^[23]

Исследование 2006 г. Милан Жиркович и его коллеги расширили понятие зависящей от времени галактической обитаемой зоны, анализируя различные катастрофические события, а также лежащие в основе светская эволюция галактической динамики.^[18] В документе считается, что количество пригодных для жизни планет может сильно колебаться со временем из-за непредсказуемости сроков катастрофических событий, тем самым создавая прерывистое равновесие в которых обитаемые планеты в одни моменты более вероятны, чем в другие.^[18] На основе результатов Моделирование Монте-Карло на игрушечная модель Млечного Пути команда обнаружила, что количество пригодных для жизни планет, вероятно, будет увеличиваться со временем, хотя и не в абсолютно линейном порядке.^[18]

В последующих исследованиях произошел более фундаментальный пересмотр старой концепции галактической обитаемой зоны как кольца. В 2008 году исследование Никос Пранцос показали, что, хотя вероятность того, что планета избежит стерилизации сверхновой, была максимальной на расстоянии около 10 кпк от центра Галактики, абсолютная плотность звезд во внутренней галактике означает, что там можно найти наибольшее количество пригодных для жизни планет.^[3] Исследование было подтверждено в статье 2011 года Майкла Гоуэнлока, который рассчитал частоту существования планет, уцелевших от сверхновых, в зависимости от их расстояния от центра Галактики, их высоты над уровнем моря. галактический самолет, и их возраст, в конечном итоге обнаружив, что около 0,3% звезд в галактике могут сегодня поддерживать сложную жизнь, или 1,2%, если не учитывать приливная блокировка из красный карлик планеты как препятствующие развитию сложной жизни.^[1]

Критика

Идея галактической обитаемой зоны была подвергнута критике Никосом Пранцосом на том основании, что параметры для ее создания невозможно определить даже приблизительно, и что, таким образом, галактическая обитаемая зона может быть просто полезным концептуальным инструментом, позволяющим лучше понять распределение жизни, а не самоцель.^[3] По этим причинам Пранцос предположил, что обитаема может быть вся галактика, а не только определенная область пространства и времени.^[3] Кроме того, звезды, «движущиеся» по спиральным рукавам галактики, могут перемещаться на десятки тысяч световых лет от своих первоначальных орбит, таким образом подтверждая мнение о том, что может не быть одной конкретной галактической зоны обитания.^[4][5][6] Моделирование методом Монте-Карло, улучшающее механизмы, используемые Жирковичем в 2006 году, было проведено в 2010 году Дункан Форган из Королевская обсерватория Эдинбург. Данные, собранные в ходе экспериментов, подтверждают идею Пранцоса об отсутствии четко определенной обитаемой галактической зоны, что указывает на возможность сотен внеземные цивилизации в Млечном Пути, хотя для окончательного определения потребуются дополнительные данные.^[24]

Смотрите также

• Эллиптическая галактика
• Внеземная жидкая вода
• Парадокс Ферми
• Функция распределения металличности
• Планетарная обитаемость
• Гипотеза редкой земли
• В поисках внеземного разума
• Спиральная галактика
• Терраформирование

Рекомендации

1. Gowanlock, M. G .; Patton, D. R .; МакКоннелл, С. М. (2011). «Модель обитаемости в галактике Млечный Путь». Астробиология. 11 (9): 855–73. arXiv:1107.1286. Bibcode:2011AsBio..11..855G. Дои:10.1089 / ast.2010.0555. PMID  22059554.
2. Чой, Чарльз К. (21 августа 2015 г.). «Гигантские галактики могут быть лучшими колыбелями для обитаемых планет». Space.com. Получено 24 августа 2015.
3. Пранцос, Никос (2006). "О" Галактической обитаемой зоне"". Обзоры космической науки. 135 (1–4): 313–22. arXiv:astro-ph / 0612316. Bibcode:2008ССРв..135..313П. Дои:10.1007 / s11214-007-9236-9.
4. Рок Рошкар; Дебаттиста; Куинн; Стинсон; Джеймс Уодсли (2008). «Поездка на спиральных волнах: влияние миграции звезд на свойства галактических дисков». Астрофизический журнал. 684 (2): L79. arXiv:0808.0206. Bibcode:2008ApJ ... 684L..79R. Дои:10.1086/592231.
5. Вашингтонский университет (15 сентября 2008 г.). "Солнце-иммигрант: наша звезда могла быть далеко от того места, где она начиналась в Млечном Пути". Newswise. Получено 15 сентября, 2008.
6. Баттерсби, Стивен (30 ноября 2011 г.). «Дикая поездка Земли: наше путешествие по Млечному Пути». Новый ученый (2841).
7. Стругхольд, Губертус (1953). Зеленая и красная планеты: физиологическое исследование возможности жизни на Марсе. Пресса Университета Нью-Мексико.
8. Джеймс Кастинг (2010). Как найти пригодную для жизни планету. Издательство Принстонского университета. п. 127. ISBN  978-0-691-13805-3. Получено 4 мая 2013.
9. Хуан Су-Шу (апрель 1960 г.). «Поддерживающие жизнь регионы в окрестностях двоичных систем». Публикации Тихоокеанского астрономического общества. 72 (425): 106–114. Bibcode:1960PASP ... 72..106H. Дои:10.1086/127489.
10. Гонсалес, Гильермо; Браунли, Дональд; Питер, Уорд (2001). «Галактическая обитаемая зона: галактическая химическая эволюция». Икар. 152 (1): 185. arXiv:astro-ph / 0103165. Bibcode:2001Icar..152..185G. Дои:10.1006 / icar.2001.6617.
11. Кларк, Дж. Н. (1981). «Внеземной разум и галактическая ядерная активность». Икар. 46 (1): 94–96. Bibcode:1981Icar ... 46 ... 94C. Дои:10.1016/0019-1035(81)90078-6.
12. Такер, Уоллес Х. (1981). «Астрофизический кризис в эволюции жизни в Галактике». В Биллингеме, Джон (ред.). Жизнь во Вселенной. Кембридж: MIT Press. С. 287–296. ISBN  9780262520621.
13. Blair, S.K .; Magnani, L .; Brand, J .; Воутерлоот, Дж. Г. А. (2008). «Формальдегид в далекой внешней галактике: ограничение внешней границы галактической обитаемой зоны». Астробиология. 8 (1): 59–73. Bibcode:2008 AsBio ... 8 ... 59B. Дои:10.1089 / ast.2007.0171. PMID  18266563.
14. Уорд, Питер; Браунли, Дональд (2003-12-10). Редкая земля: почему сложная жизнь необычна во Вселенной. Springer. С. 191–220. ISBN  9780387952895.
15. Гонсалес, G (2001). «Галактическая обитаемая зона: галактическая химическая эволюция». Икар. 152: 185–200. arXiv:astro-ph / 0103165. Bibcode:2001Icar..152..185G. Дои:10.1006 / icar.2001.6617.
16. Чарльз Х. Лайнуивер, Еше Феннер и Брэд К. Гибсон (январь 2004 г.). «Обитаемая зона Галактики и возрастное распределение сложной жизни в Млечном Пути». Наука. 303 (5654): 59–62. arXiv:астро-ph / 0401024. Bibcode:2004Научный ... 303 ... 59Л. Дои:10.1126 / science.1092322. PMID  14704421.
17. Lineweaver, C. H .; Fenner, Y .; Гибсон, Б. К. (2004). «Обитаемая зона Галактики и возрастное распределение сложной жизни в Млечном Пути». Наука. 303 (5654): 59–62. arXiv:астро-ph / 0401024. Bibcode:2004Научный ... 303 ... 59Л. Дои:10.1126 / science.1092322. PMID  14704421.
18. Вукотич, Б .; Циркович, М. М. (2007). «О масштабном форсировании в астробиологии». Сербский астрономический журнал. 175 (175): 45. arXiv:0712.1508. Bibcode:2007SerAJ.175 ... 45В. Дои:10.2298 / SAJ0775045V.
19. Воротник, Дж. И. (1996). «Клочковатая холодная темная материя и биологическое вымирание». Письма по физике B. 368 (4): 266–269. arXiv:Astro-ph / 9512054. Bibcode:1996ФЛБ..368..266С. Дои:10.1016/0370-2693(95)01469-1.
20. Маллен, Лесли (18 мая 2001 г.). «Галактические обитаемые зоны». Архив функций NAI. Институт астробиологии НАСА. Архивировано из оригинал 9 апреля 2013 г.. Получено 9 мая, 2013.
21. Сундин, М. (2006). «Галактическая обитаемая зона в галактиках с перемычкой». Международный журнал астробиологии. 5 (4): 325. Bibcode:2006IJAsB ... 5..325S. Дои:10.1017 / S1473550406003065.
22. Павлов, Александр А. (2005). «Прохождение гигантского молекулярного облака: оледенения« снежного кома », вызванные межзвездной пылью». Письма о геофизических исследованиях. 32 (3): L03705. Bibcode:2005GeoRL..32.3705P. Дои:10.1029 / 2004GL021890.
23. Раймонд, Шон Н .; Куинн, Томас; Лунин, Джонатан И. (2005). «Образование и обитаемость планет земной группы при наличии близких планет-гигантов». Икар. 177 (1): 256–263. arXiv:astro-ph / 0407620. Bibcode:2005Icar..177..256R. Дои:10.1016 / j.icarus.2005.03.008.
24. Форган, Д. Х. (2009). «Стенд для численного тестирования гипотез о внеземной жизни и разуме». Международный журнал астробиологии. 8 (2): 121. arXiv:0810.2222. Bibcode:2009IJAsB ... 8..121F. Дои:10.1017 / S1473550408004321.

внешняя ссылка

СМИ, связанные с Жилая зона в Wikimedia Commons