אפשרות חיים על כוכבי לכת מימיים

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

רוב כוכבי הלכת שאנו מכירים הם גדולים יותר במסתם מכדור הארץ, אך פחות משבתאי. לרוב, ביניהם יש "מיני נפטון" ו"על כדור הארץ" - עצמים מסיביים פי כמה מהכוכב שלנו. התגליות של השנים האחרונות נותנות יותר ויותר בסיס להאמין שסופר-כדור הארץ הם כוכבי לכת שהרכבם שונה מאוד משלנו. יתרה מכך, התברר שכוכבי הלכת הארציים במערכות אחרות עשויים להיות שונים מכדור הארץ ביסודות קלים ותרכובות עשירות בהרבה, כולל מים. וזו סיבה טובה לתהות עד כמה הם מתאימים לחיים.

ההבדלים שהוזכרו לעיל בין כדור הארץ לשעבר וכדור הארץ מוסברים בעובדה ששלושה רבעים מכל הכוכבים ביקום הם ננסים אדומים, מאורות הרבה פחות מאסיביים מהשמש. תצפיות מראות שכוכבי הלכת שסביבם נמצאים לרוב באזור המגורים - כלומר, שם הם מקבלים בערך אותה אנרגיה מהכוכב שלהם כמו כדור הארץ מהשמש. יתרה מכך, לעתים קרובות יש הרבה מאוד כוכבי לכת באזור המגורים של ננסים אדומים: ב"חגורת הזהב" של כוכב TRAPPIST-1, למשל, יש שלושה כוכבי לכת בו-זמנית.

וזה מאוד מוזר. אזור המגורים של ננסים אדומים נמצא במרחק של מיליוני קילומטרים מהכוכב, ולא 150-225 מיליון, כמו במערכת השמש. בינתיים, כמה כוכבי לכת בו-זמנית לא יכולים להיווצר במיליוני קילומטרים מהכוכב שלהם - גודל הדיסק הפרוטו-פלנטרי שלו לא יאפשר זאת. כן, לגמד אדום יש פחות מאשר צהוב, כמו השמש שלנו, אבל לא מאה ואפילו חמישים פעמים.

המצב מסתבך עוד יותר בשל העובדה שאסטרונומים למדו "לשקול" פחות או יותר במדויק כוכבי לכת בכוכבים מרוחקים. ואז התברר שאם נקשר את המסה והגודל שלהם, מתברר שצפיפותם של כוכבי לכת כאלה קטנה פי שניים או אפילו שלוש מזו של כדור הארץ. וזה, באופן עקרוני, בלתי אפשרי אם כוכבי הלכת האלה נוצרו במיליוני קילומטרים מהכוכב שלהם. כי עם סידור כה קרוב, הקרינה של גוף התאורה צריכה ממש לדחוף את עיקר האלמנטים הקלים החוצה.

זה בדיוק מה שקרה במערכת השמש, למשל. בואו נסתכל על כדור הארץ: הוא נוצר באזור המגורים, אבל המסה של המים היא לא יותר מאלפית. אם הצפיפות של מספר עולמות אצל ננסים אדומים נמוכה פי שניים עד שלושה, אז המים שם הם לא פחות מ-10 אחוז, או אפילו יותר. כלומר פי מאה יותר מאשר בכדור הארץ. כתוצאה מכך, הם נוצרו מחוץ לאזור המגורים ורק אז נדדו לשם. קל לקרינת כוכבים למנוע מאלמנטים קלים את אזורי הדיסק הפרוטו-פלנטרי הקרוב לאורה. אבל הרבה יותר קשה לשלול כוכב לכת מוכן שנדד מהחלק המרוחק של הדיסק הפרו-פלנטרי של יסודות קלים - השכבות התחתונות שם מוגנות על ידי העליונות. ואיבוד המים הוא בהכרח די איטי. כדור-על טיפוסי באזור המגורים לא יוכל לאבד אפילו מחצית ממימיו, ובמשך כל קיומה של, למשל, מערכת השמש.

אז, לכוכבים המסיביים ביותר ביקום יש לרוב כוכבי לכת שבהם יש הרבה מים. זה, ככל הנראה, אומר שיש הרבה יותר כוכבי לכת כאלה מאשר כאלה כמו כדור הארץ. לכן, טוב יהיה להבין האם במקומות כאלה ישנה אפשרות להופעתם והתפתחותם של חיים מורכבים.

צריך עוד מינרלים

וכאן מתחילות הבעיות הגדולות. אין אנלוגים קרובים של כדור הארץ-על עם כמות גדולה של מים במערכת השמש, ובהיעדר דוגמאות זמינות לתצפית, למדענים פלנטריים אין ממש ממה להתחיל. עלינו להסתכל על דיאגרמת הפאזות של המים ולהבין אילו פרמטרים יהיו עבור שכבות שונות של כוכבי הלכת האוקיינוסים.

דיאגרמת שלבים של מצב המים. שינויים בקרח מסומנים בספרות רומיות.כמעט כל הקרח על פני כדור הארץ שייך לקבוצה I_ח, ושבריר קטן מאוד (באטמוספירה העליונה) - ל-I_ג… תמונה: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

מסתבר שאם יש פי 540 יותר מים על כוכב לכת בגודל כדור הארץ מאשר כאן, אז הוא יהיה מכוסה לחלוטין באוקיינוס בעומק של יותר ממאה קילומטרים. בקרקעית אוקיינוסים כאלה, הלחץ יהיה כה גדול עד שיתחיל להיווצר שם קרח משלב כזה, שנשאר מוצק גם בטמפרטורות גבוהות מאוד, שכן המים מוחזקים על ידי הלחץ העצום.

אם קרקעית האוקיינוס הפלנטרי מכוסה בשכבה עבה של קרח, המים הנוזלים ימנעו ממגע עם סלעי סיליקט מוצקים. ללא מגע כזה, למינרלים שבו, למעשה, לא יהיה מאיפה להגיע. גרוע מכך, מחזור הפחמן ישבש.

נתחיל עם מינרלים. ללא זרחן, חיים - בצורות המוכרות לנו - לא יכולים להיות, כי בלעדיו אין נוקלאוטידים ובהתאם לכך אין DNA. יהיה קשה בלי סידן – למשל, העצמות שלנו מורכבות מהידרוקסילפטיט, שלא יכול להסתדר בלי זרחן וסידן. בעיות בזמינותם של אלמנטים מסוימים מתעוררות לפעמים על כדור הארץ. לדוגמה, באוסטרליה ובצפון אמריקה במספר יישובים היה היעדר ממושך חריג של פעילות געשית ובקרקעות בחלק מהמקומות יש חוסר חמור בסלניום (הוא חלק מאחת מחומצות האמינו, הנחוצות לחיים). מכאן, פרות, כבשים ועזים סובלים ממחסור בסלניום, ולעיתים הדבר מוביל למוות של בעלי חיים (הוספה של סלניט למזון לבעלי חיים בארצות הברית ובקנדה אף מוסדרת בחוק).

כמה חוקרים מציעים שעצם הגורם של זמינות המינרלים אמור להפוך את האוקיינוסים-כוכבי לכת למדבריות ביולוגיים אמיתיים, שבהם חיים, אם יש, הם נדירים ביותר. ואנחנו פשוט לא מדברים על צורות מורכבות באמת.

מזגן מקולקל

בנוסף למחסור במינרלים, תיאורטיקנים גילו בעיה פוטנציאלית שנייה של כוכבי לכת-אוקיינוסים - אולי אפילו חשובה יותר מהראשונה. אנחנו מדברים על תקלות במחזור הפחמן. על הפלנטה שלנו, הוא הסיבה העיקרית לקיומו של אקלים יציב יחסית. העיקרון של מחזור הפחמן הוא פשוט: כאשר כדור הארץ מתקרר מדי, ספיגת הפחמן הדו-חמצני על ידי הסלעים מואטת בחדות (תהליך הספיגה כזו מתרחש במהירות רק בסביבה חמה). במקביל, "אספקה" של פחמן דו חמצני עם התפרצויות געשיות הולך באותו קצב. כאשר קשירת הגז פוחתת והאספקה אינה יורדת, ריכוז ה-CO₂ עולה באופן טבעי. כוכבי הלכת, כידוע, נמצאים בוואקום של החלל הבין-פלנטרי, והדרך המשמעותית היחידה לאיבוד חום עבורם היא הקרינה שלו בצורה של גלי אינפרא אדום. פחמן דו חמצני סופג קרינה כזו מפני השטח של כדור הארץ, וזו הסיבה שהאטמוספירה מתחממת מעט. זה מנדף אדי מים משטח המים של האוקיינוסים, שסופגים גם קרינת אינפרא אדומה (גז חממה נוסף). כתוצאה מכך, CO₂ הוא זה שפועל כיוזם העיקרי בתהליך חימום כדור הארץ.

מנגנון זה הוא שמוביל לכך שקרחונים על פני כדור הארץ מסתיימים במוקדם או במאוחר. הוא גם אינו מאפשר לו להתחמם יתר על המידה: בטמפרטורות גבוהות מדי, פחמן דו חמצני נקשר מהר יותר בסלעים, ולאחר מכן, בשל הטקטוניקה של לוחות קרום כדור הארץ, הם שוקעים בהדרגה לתוך המעטפת. רמת CO₂נופל והאקלים הופך קריר יותר.

בקושי ניתן להפריז בחשיבותו של מנגנון זה עבור הפלנטה שלנו. תארו לעצמכם לשנייה התמוטטות של מזגן פחמן: נניח, הרי געש הפסיקו להתפרץ ואינם מספקים עוד פחמן דו חמצני מבטן כדור הארץ, שפעם ירד לשם עם לוחות יבשות ישנים. הקרחון הראשון ממש יהפוך לנצחי, כי ככל שיותר קרח על הפלנטה, כך הוא מחזיר יותר קרינת שמש לחלל. ומנה חדשה של CO₂ לא יוכל לשחרר את כדור הארץ: לא יהיה לו מאיפה לבוא.

זה בדיוק איך, בתיאוריה, זה צריך להיות על כוכבי הלכת-אוקיינוסים. גם אם פעילות געשית לפעמים יכולה לפרוץ את קונכיית הקרח האקזוטי בקרקעית האוקיינוס הפלנטרי, אין בכך טוב.ואכן, על פני עולם הים, פשוט אין סלעים שיכולים לקשור עודפי פחמן דו חמצני. כלומר, הצטברות בלתי מבוקרת שלו יכולה להתחיל, ובהתאם, התחממות יתר של כדור הארץ.

משהו דומה - נכון, ללא שום אוקיינוס פלנטרי - קרה על נוגה. אין טקטוניקת הלוחות גם על הפלנטה הזו, אם כי לא ממש ידוע מדוע זה קרה. לכן, התפרצויות געשיות שם, הפורצות לפעמים דרך הקרום, מכניסות הרבה פחמן דו חמצני לאטמוספירה, אבל פני השטח לא יכולים לקשור אותו: לוחות יבשות לא שוקעים למטה ולוחות חדשים לא עולים למעלה. לכן, פני השטח של הלוחות הקיימים כבר קשרו את כל ה-CO₂, שיכול, ולא יכול לספוג יותר, וכל כך חם על נוגה שעופרת תמיד תישאר שם נוזל. וזאת למרות העובדה שלפי המודלים, עם האטמוספירה ומחזור הפחמן של כדור הארץ, כוכב הלכת הזה יהיה תאום ראוי למגורים של כדור הארץ.

האם יש חיים בלי מזגן?

מבקרי "שוביניזם יבשתי" (העמדה לפיה חיים אפשריים רק על "עותקים של כדור הארץ", כוכבי לכת עם תנאים יבשתיים לחלוטין) שאלו מיד את השאלה: מדוע, בעצם, כולם החליטו שמינרלים לא יוכלו לפרוץ דרך שכבת קרח אקזוטי? ככל שהמכסה חזק יותר ואטום יותר מעל משהו חם, כך מצטברת מתחתיו יותר אנרגיה הנוטה לפרוץ החוצה. הנה אותה ונוס - טקטוניקת הלוחות לא קיימת, ופחמן דו חמצני ברח מהמעמקים בכמויות כאלה שאין ממנו חיים במובן המילולי של המילה. כתוצאה מכך, הדבר אפשרי עם סילוק מינרלים כלפי מעלה - סלעים מוצקים במהלך התפרצויות געשיות נופלים לחלוטין כלפי מעלה.

למרות זאת, נותרה בעיה נוספת - "המזגן השבור" של מחזור הפחמן. האם כוכב הלכת באוקיינוס יכול להיות ראוי למגורים בלעדיו?

ישנם גופים רבים במערכת השמש עליהם פחמן דו חמצני כלל אינו ממלא את התפקיד של הרגולטור הראשי של האקלים. הנה, נניח, טיטאן, ירח גדול של שבתאי.

טִיטָן. צילום: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouelic, University of Nantes, Virginia Pasek, University of Arizona

הגוף זניח בהשוואה למסה של כדור הארץ. עם זאת, הוא נוצר הרחק מהשמש, וקרינת האור לא "אידה" ממנו את היסודות הקלים, כולל חנקן. זה נותן לטיטאן אטמוספירה של חנקן כמעט טהור, אותו גז ששולט בכוכב הלכת שלנו. אבל הצפיפות של אטמוספירת החנקן שלו היא פי ארבעה משלנו - עם כוח הכבידה היא חלשה פי שבעה.

במבט ראשון על האקלים של טיטאן, יש תחושה קבועה שהוא יציב במיוחד, למרות שאין מזגן "קרבון" בצורתו הישירה. די לומר שהפרש הטמפרטורה בין הקוטב לקו המשווה של טיטאן הוא שלוש מעלות בלבד. אם המצב היה זהה בכדור הארץ, כוכב הלכת היה מאוכלס הרבה יותר באופן שווה ובאופן כללי מתאים יותר לחיים.

יתרה מכך, חישובים של מספר קבוצות מדעיות הראו: עם צפיפות אטמוספירה גבוהה פי חמישה מזו של כדור הארץ, כלומר, רבע מאשר על טיטאן, אפילו אפקט החממה של חנקן לבדו מספיק לתנודות הטמפרטורה לרדת כמעט לאפס. בכוכב כזה, ביום ובלילה, הן בקו המשווה והן בקוטב, הטמפרטורה תמיד תהיה זהה. חיים ארציים יכולים רק לחלום על דבר כזה.

כוכבי לכת-אוקיינוסים מבחינת צפיפותם נמצאים רק ברמת טיטאן (1, 88 גרם / ס"מ ³), ולא כדור הארץ (5, 51 גרם / ס"מ ³). נניח שלשלושה כוכבי לכת באזור המגורים TRAPPIST-1 במרחק של 40 שנות אור מאיתנו יש צפיפות של 1.71 עד 2.18 גרם / ס"מ³. במילים אחרות, סביר להניח שלכוכבי לכת כאלה יש צפיפות מספקת של אטמוספירת חנקן כדי שיהיה אקלים יציב בגלל חנקן בלבד. פחמן דו חמצני לא יכול להפוך אותם לנוגה לוהטת, כי מסה גדולה באמת של מים יכולה לקשור הרבה פחמן דו חמצני גם ללא כל טקטוניקת לוחות (פחמן דו חמצני נספג במים, וככל שהלחץ גבוה יותר, כך הוא יכול להכיל אותו יותר).

מדבריות ים עמוקים

עם חיידקים וארכאות היפותטיים מחוץ לכדור הארץ, הכל נראה פשוט: הם יכולים לחיות בתנאים קשים מאוד ולשם כך הם אינם זקוקים כלל לשפע של יסודות כימיים רבים. קשה יותר עם צמחים וחיים מאורגנים מאוד שחיים על חשבונם.

אז, לכוכבי הלכת באוקיינוס יכול להיות אקלים יציב - סביר להניח שיציב יותר ממה שיש לכדור הארץ. ייתכן גם שיש כמות ניכרת של מינרלים מומסים במים. ועדיין, החיים שם אינם כלל חג השבועות.

בואו נסתכל על כדור הארץ. מלבד מיליוני השנים האחרונות, אדמתה ירוקה ביותר, כמעט נטולת כתמים חומים או צהובים של מדבריות. אבל האוקיינוס לא נראה ירוק בכלל, למעט כמה אזורי חוף צרים. למה?

העניין הוא שעל הפלנטה שלנו האוקיינוס הוא מדבר ביולוגי. החיים דורשים פחמן דו חמצני: הם "בונים" ביומסה צמחית ורק ממנה ניתן להזין ביומסה של בעלי חיים. אם יש CO באוויר סביבנו₂ יותר מ-400 ppm כפי שזה עכשיו, הצמחייה פורחת. אם זה היה פחות מ-150 חלקים למיליון, כל העצים היו מתים (וזה יכול לקרות בעוד מיליארד שנים). עם פחות מ-10 חלקים של CO₂ למיליון כל הצמחים ימותו באופן כללי, ויחד עם כולם צורות חיים מורכבות באמת.

במבט ראשון, זה אמור לומר שהים הוא מרחב אמיתי לכל החיים. אכן, האוקיינוסים של כדור הארץ מכילים פי מאה יותר פחמן דו חמצני מהאטמוספירה. לכן, צריך להיות הרבה חומרי בנייה לצמחים.

למעשה, אין דבר רחוק יותר מהאמת. המים באוקיינוסים של כדור הארץ הם 1.35 קווינטיליון (מיליארד מיליארד) טון, והאטמוספירה היא קצת יותר מחמישה קוודריליון (מיליארד מיליארד) טון. כלומר, יש פחות CO בטון של מים באופן ניכר.₂מטון אוויר. לצמחי מים באוקיינוסים של כדור הארץ יש כמעט תמיד הרבה פחות CO₂ לרשותם מאשר ארציים.

כדי להחמיר את המצב, לצמחי מים יש קצב חילוף חומרים טוב רק במים חמים. כלומר, בו, CO₂ פחות מכל, כי מסיסותו במים יורדת עם עליית הטמפרטורות. לכן, אצות - בהשוואה לצמחים יבשתיים - קיימות בתנאים של מחסור קולוסאלי מתמיד של CO.₂.

לכן ניסיונותיהם של מדענים לחשב את הביומסה של אורגניזמים יבשתיים מראים שהים, שתופס שני שליש מכדור הארץ, תורם תרומה לא משמעותית לביומסה הכוללת. אם ניקח את המסה הכוללת של פחמן - חומר המפתח במסה היבשה של כל יצור חי - את תושבי הארץ, אז היא שווה ל-544 מיליארד טון. ובגופם של תושבי הימים והאוקיינוסים - רק שישה מיליארד טון, פירורים משולחן האדון, קצת יותר מאחוז.

כל זה עשוי להוביל לדעה שלמרות שהחיים על כוכבי הלכת-אוקיינוסים אפשריים, זה יהיה מאוד מאוד לא יפה. הביומסה של כדור הארץ, אם היא הייתה מכוסה באוקיינוס אחד, כל שאר הדברים שווים, הייתה, במונחים של פחמן יבש, רק 10 מיליארד טון - פי חמישים פחות ממה שהיא עכשיו.

עם זאת, גם כאן מוקדם מדי לשים קץ לעולמות המים. העובדה היא שכבר בלחץ של שתי אטמוספרות, כמות CO₂, שיכול להתמוסס במי ים, יותר מכפול (לטמפרטורה של 25 מעלות). עם אטמוספירות צפופות פי ארבעה עד חמש מזו של כדור הארץ - וזה בדיוק מה שהיית מצפה בכוכבי לכת כמו TRAPPIST-1e, g ו-f - יכול להיות כל כך הרבה פחמן דו חמצני במים שהמים של האוקיינוסים המקומיים יתחילו להתקרב. האוויר של כדור הארץ. במילים אחרות, צמחי מים על כוכבי לכת ואוקיינוסים מוצאים את עצמם בתנאים הרבה יותר טובים מאשר על הפלנטה שלנו. ואיפה יש יותר ביומסה ירוקה, ולבעלי חיים יש בסיס מזון טוב יותר. כלומר, בניגוד לכדור הארץ, הימים של כוכבי הלכת-אוקיינוסים אולי אינם מדבריות, אלא נווה מדבר של חיים.

כוכבי לכת סרגסו

אבל מה לעשות אם לכוכב האוקיינוס, עקב אי הבנה, עדיין יש צפיפות האטמוספירה של כדור הארץ? והכל לא כל כך נורא כאן. על פני כדור הארץ, אצות נוטות להיצמד לקרקעית, אך היכן שאין לכך תנאים, מתברר שצמחי מים יכולים לשחות.

חלק מאצות הסרגאסו משתמשות בשקיות מלאות אוויר (הן דומות לענבים, ומכאן המילה הפורטוגזית "סרגאסו" בשם ים סרגוסו) כדי לספק ציפה, ובתיאוריה זה מאפשר לך לקחת CO₂ מהאוויר, ולא מהמים, שם הוא דל. בשל יכולת הציפה שלהם, קל להם יותר לעשות פוטוסינתזה. נכון, אצות כאלה מתרבות היטב רק בטמפרטורות מים גבוהות למדי, ולכן בכדור הארץ הן טובות יחסית רק במקומות מסוימים, כמו ים סרגסו, שבו המים חמים מאוד. אם כוכב הלכת האוקיינוס חם מספיק, אז אפילו צפיפות האטמוספירה של כדור הארץ אינה מכשול בלתי עביר עבור צמחים ימיים. הם עשויים בהחלט לקחת CO₂ מהאטמוספירה, הימנעות מבעיות של פחמן דו חמצני נמוך במים חמים.

אצת סרגסו. צילום: אלן מקדיוויד סטודארד / פוטודום / Shutterstock

מעניין שאצות צפות באותו ים סרגסו יוצרות מערכת אקולוגית שלמה צפה, משהו כמו "ארץ צפה". חיים שם סרטנים, שכושר הציפה של האצות מספיק בשביל לנוע על פני השטח שלהם כאילו היו יבשה. תיאורטית, באזורים רגועים של כוכב הלכת האוקיינוס, קבוצות צפות של צמחי ים יכולות לפתח חיים "יבשתיים" למדי, אם כי לא תמצא שם את האדמה עצמה.

בדוק את הפריבילגיה שלך, בן אדמה

הבעיה של זיהוי המקומות המבטיחים ביותר לחיפוש חיים היא שעד כה יש לנו מעט נתונים שיאפשרו לנו לבחור את נושאי החיים הסבירים ביותר מבין כוכבי הלכת המועמדים. כשלעצמו, המושג "אזור ראוי למגורים" אינו העוזר הטוב ביותר כאן. בו, אותם כוכבי לכת נחשבים מתאימים לחיים המקבלים מהכוכב שלהם כמות מספקת של אנרגיה כדי לתמוך במאגרים נוזליים לפחות על חלק משטחם. במערכת השמש, מאדים וכדור הארץ נמצאים באזור המגורים, אך בהתחלה החיים המורכבים על פני השטח אינם מורגשים איכשהו.

בעיקר כי זה לא אותו עולם כמו כדור הארץ, עם אטמוספירה והידרוספירה שונה מהותית. ייצוג לינארי בסגנון "הכוכב-אוקיינוס הוא כדור הארץ, אך רק מכוסה במים" יכול להוביל אותנו לאותה אשליה שהתקיימה בתחילת המאה ה-20 לגבי התאמתו של מאדים לחיים. אוקיינוסים אמיתיים יכולים להיות שונים באופן חד מכוכב הלכת שלנו - יש להם אטמוספירה שונה לחלוטין, מנגנוני ייצוב אקלים שונים, ואפילו מנגנונים שונים לאספקת פחמן דו חמצני לצמחים ימיים.

הבנה מפורטת של האופן שבו פועלים עולמות המים בפועל מאפשרת לנו להבין מראש מה יהיה אזור המגורים עבורם, ובכך לגשת במהירות לתצפיות מפורטות של כוכבי לכת כאלה בג'יימס ווב ובטלסקופים גדולים ומבטיחים אחרים.

לסיכום, אי אפשר שלא להודות שעד לא מזמן הרעיונות שלנו לגבי אילו עולמות באמת מיושבים ואילו לא, סבלו יותר מדי מאנתרופוצנטריות וגיאוצנטריות. וכפי שמסתבר כעת, מ"סושצנטריות" - הדעה שאם אנחנו בעצמנו קמנו על היבשה, אז זה המקום החשוב ביותר בהתפתחות החיים, ולא רק על הפלנטה שלנו, אלא גם בשמשות אחרות. אולי התצפיות של השנים הבאות לא ישאירו אבן על פיה מנקודת מבט זו.