Pada Juni 2020, astronom Kanada menghitung bahwa mungkin ada lima miliar planet mirip Bumi di Bima Sakti yang mengorbit bintang mirip Matahari. Namun, ini hanya bagian gunung es yang terlihat dari planet yang dapat dihuni. Intinya bukan hanya bahwa ada lebih banyak dari mereka di sekitar bintang jenis lain: kondisi di planet ekstrasurya di sistem lain bisa jauh lebih menguntungkan bagi kehidupan daripada kita. Mari kita coba memahami alasannya.
Bintang memiliki jenis yang berbeda. Mereka yang lebih masif - seperti katai kuning Matahari (tipe spektral G2) atau bintang putih Sirius A (tipe spektral A1) - terlihat selama bertahun-tahun cahaya. Selain itu, ketika massanya meningkat, luminositasnya tumbuh secara nonlinier: Sirius hanya dua kali lebih berat dari bintang kita, tetapi bersinar 25 kali lebih terang.
Kebalikannya juga benar: katai merah terberat dan terbesar (tipe spektral M0) hanya beberapa lebih ringan dari Matahari, tetapi bersinar sekitar 15 kali lebih lemah. Yang paling ringan dari mereka (M9) adalah belasan kali lebih ringan dari Matahari, tetapi lebih rendah dalam luminositas ribuan kali.
Ini menimbulkan efek "bagian gunung es yang tidak terlihat": ada banyak katai merah di sekitar Bumi (dan di Semesta secara umum), tetapi sangat sulit untuk melihatnya. Bintang terdekat dengan Bumi - Proxima Centauri - hanyalah bintang kerdil: meskipun jaraknya sangat kecil yaitu 4, 3 tahun cahaya, ia tidak dapat dilihat di langit dengan mata telanjang. Sulit untuk menentukan jumlah pasti dari benda-benda tersebut di alam semesta. Perkiraan bervariasi dari 70% hingga 90% dari semua tokoh yang ada - tetapi sebagian besar perkiraan ini mendekati 75-76%.
Para astronom Kanada, yang mencoba menghitung jumlah planet terestrial di sekitar katai kuning, menggunakan data dari teleskop luar angkasa, di mana gambar direkam 200 ribu bintang. Mereka menemukan bahwa sekitar 7% dari 400 miliar bintang di Galaksi kita adalah katai kuning. Total ada 28 miliar bintang ini. Berdasarkan data yang tersedia tentang kemunculan planet di bintang kelas G, para ilmuwan telah menghitung bahwa dalam 18% kasus di masing-masing sistem ini mungkin ada planet seukuran Bumi, dan di zona layak huni. Mungkin ada lima miliar planet seperti itu secara total.
Sekarang mari kita lihat situasi ini dari sudut pandang bukan katai kuning seperti bintang kita, tetapi oranye (12% dari semua bintang) dan merah (76%). Ternyata ada sekitar 300 miliar warna merah di Bima Sakti saja - 11 kali lebih banyak daripada warna kuning. Pada saat yang sama, menurut perhitungan kelompok astronomi lainnya, ada banyak planet yang massanya dekat dengan Bumi dan terletak di zona layak huni di sana. 40% dari semua katai merah dapat memiliki exoplanet seperti itu - dan kemudian berpotensi menghuni planet di sekitar bintang tersebut hingga 120 miliar.
Tentu saja, keberadaan benda angkasa di zona layak huni konvensional saja jauh dari jaminan keberadaan kehidupan di sana. Pertanyaan paling penting dari astronomi eksoplanet modern: apakah dunia seperti itu benar-benar cocok untuk kehidupan?
Apa yang salah dengan cahaya katai merah
Bertentangan dengan namanya, seseorang yang berakhir di sebuah planet dekat katai merah tidak akan melihat bintang-bintang merah di langit. Ini semua tentang kekhasan penglihatan kita: ia menangkap foton dengan panjang gelombang yang berbeda dari sumber cahaya dan "melipat" mereka, tidak mendapatkan warna sebenarnya dari objek, tetapi yang "sintetis". Matahari kita adalah contoh klasik. Ini memancarkan sebagian besar energinya di bagian hijau dari spektrum yang terlihat. Untuk memahami ini, cukup dengan melihat dedaunan di sekitar: persis seperti itu secara efektif memantulkan bagian radiasi matahari ini dan menghindari panas berlebih selama transisi tajam dari bayangan ke sinar matahari.
Hal yang sama terjadi pada bola lampu pijar dan katai merah. Warna aslinya adalah merah, tetapi pada akhirnya kita melihatnya sebagai kuning oker. Namun, jika benar-benar ada kehidupan di dunia dengan matahari kuning oker, maka vegetasi terestrial yang sangat berkembang di sana akan memiliki warna merah persis, jika tidak maka akan sulit untuk beradaptasi dengan perubahan pencahayaan yang tajam ketika awan melewatinya. dia.
Untuk waktu yang lama, beberapa peneliti percaya bahwa sebagian besar radiasi merah dan inframerah dari bintang merah akan menjadi masalah serius bagi tanaman di planet di sekitar mereka. Memang: energi foton semacam itu lebih rendah daripada energi cahaya hijau, yang mendominasi radiasi Matahari. Akankah cahaya merah dan cahaya inframerah ternyata cukup untuk fotosintesis? Lagi pula, diketahui bahwa klorofil biasa praktis tidak dapat menggunakan gelombang cahaya di bagian spektrum merah jauh (dengan gelombang 700 nanometer dan lebih)?
Tentu saja, oksigen dapat dibentuk tidak hanya dengan bantuan klorofil: misalnya, bakteri memiliki protein yang disebut bacteriorhodopsin, mirip dengan rhodopsin biasa, yang dengannya kita, misalnya, melihat cahaya. Namun, fotosintesis "bakteriorhodopsin" biasanya tidak membentuk oksigen: ini berarti bahwa biosfer yang kompleks - dengan organisme multisel yang menghirup oksigen - tidak dapat dibangun di atasnya.
Jadi, apakah cahaya bintang merah tidak cocok untuk "memberi makan" kehidupan yang kompleks? Anda tidak perlu terbang ke bintang yang jauh untuk menemukan jawaban atas pertanyaan ini. Pada tahun 2010, klorofil f (rumus deskriptif perkiraan C55H70O6N4Mg) ditemukan di pantai barat Australia.
Tidak seperti jenis klorofil lainnya, ia menyediakan fotosintesis "klasik" dengan pelepasan oksigen - tetapi dari foton dengan panjang gelombang hingga 720 nanometer. Alasan penggunaannya oleh organisme fotosintesis dalam air jelas: semakin pendek panjang gelombang radiasi elektromagnetik, semakin banyak ia diserap oleh air. Oleh karena itu, dalam beberapa kasus lebih menguntungkan untuk menggunakan bagian terjauh dari kisaran merah.
Akankah wabah membunuh semua makhluk hidup?
Fitur lain dari katai merah yang sering direnungkan oleh para astronom adalah kecenderungan mereka untuk menyala dengan dahsyat, yang ditunjukkan oleh Matahari kita hanya dalam jutaan tahun pertama kehidupannya. Selama peristiwa seperti itu, tingkat radiasi sinar-X dan ultraviolet dari termasyhur meningkat tajam - sedemikian rupa sehingga, seperti yang kadang-kadang dikatakan, ini dapat "mensterilkan" kehidupan di permukaan planet semacam itu.
Berdasarkan hal ini, para astronom mencoba menghitung apa konsekuensi dari pancaran sinar UV dan sinar-X yang begitu kuat dari bintang bermassa rendah. Mereka menemukan bahwa beberapa planet di zona layak huni TRAPPIST-1 katai merah (39, 6 tahun cahaya dari kita) dapat kehilangan air, dengan massa yang setara dengan 15 lautan di Bumi. Mekanisme kehilangannya sederhana: sinar ultraviolet memecah molekul uap air menjadi hidrogen dan oksigen. Molekul-molekul yang pertama terlalu ringan, sehingga mereka dengan cepat menyebar ke luar angkasa.
Baru-baru ini, ditemukan bahwa tingkat radiasi ultraviolet yang sebenarnya selama semburan TRAPPIST-1 adalah 50 kali lebih tinggi daripada yang diasumsikan saat menghitung kemungkinan hilangnya air. Gambaran apokaliptik muncul: planet mirip bumi dalam katai merah seharusnya tidak memiliki air dibandingkan dengan Bumi, dan radiasi UV di permukaannya selama wabah, tampaknya, dapat mensterilkan kehidupan terestrial apa pun.
Tapi mari kita beralih ke parameter sebenarnya dari tujuh planet dari sistem TRAPPIST-1. Apakah mereka benar-benar tanpa air? Di zona layak huni ada tiga planet sekaligus - TRAPPIST-1e, f dan g. Kepadatan yang pertama adalah 1,024 terestrial, yang kedua - 0,816 terestrial, dan yang ketiga - 0,759 terestrial. Jelas terlihat bahwa dua dari tiga planet harus mengandung lebih banyak elemen ringan daripada Bumi kita. Untuk planet yang massanya sangat dekat dengannya, air adalah sumber utama komponen cahaya, karena gravitasi benda tersebut tidak mampu menahan atmosfer hidrogen atau helium yang besar.
Mungkin kita berbicara tentang pengecualian dan ada banyak air di planet di zona layak huni hanya di dunia dalam sistem TRAPPIST-1? Tidak, dan di sistem katai merah lainnya, planet-planet di zona layak huni hampir selalu memiliki kepadatan Bumi atau bahkan lebih rendah. Oleh karena itu, mereka tidak bisa benar-benar gurun tanpa air - bahkan dengan sinar UV dan sinar-X yang kuat.
Bagaimana Mereka Mengawetkan Air dan Peluang Kehidupan untuk Tumbuh
Ketika ditanya mengapa kita melihat gambar seperti itu hari ini, para astronom belum menemukan jawabannya. Memang, sinar ultraviolet membelah air, dan diyakini bahwa hilangnya air di Mars terjadi justru karena radiasi UV matahari.
Ada dua kemungkinan jawaban untuk pertanyaan tentang bagaimana planet katai merah tidak kehilangan air.
Skenario pertama bisa disebut "sementara lemak mengering, yang tipis menguap." Faktanya adalah bahwa sebagian besar sistem katai merah dengan planet terbuka terlihat tidak alami. Planet mereka terletak sangat padat, pada jarak yang sangat kecil dari bintang mereka. Yang paling dekat dari tujuh planet dari TRAPPIST-1 yang sama terletak 1,73 juta kilometer dari bintangnya, dan yang paling jauh hanya 9,27 juta kilometer darinya. Pikirkan tentang ini: tujuh planet pada 7,54 juta kilometer!
Di tata surya, tujuh planet yang paling dekat dengan bintang tersebar di orbit mulai dari 58 juta kilometer (Merkurius) hingga 2,88 miliar kilometer. Pemisahan mereka di luar angkasa 370 kali lebih kuat dari exoplanet TRAPPIST-1. Antara Merkurius dan Matahari di sistem kami, tujuh sistem tujuh planet TRAPPIST-1 akan cocok sekaligus - dan masih akan ada ruang.
Tentu saja, katai merah lebih kecil dari matahari. Dan piringan protoplanet mereka juga harus lebih kecil, tetapi hampir 370 kali. Semua ini memaksa para ilmuwan untuk mengasumsikan kemungkinan pembentukan planet katai merah di orbit yang lebih jauh dari bintang, diikuti oleh migrasi lebih dekat ke bintang. Migrain seperti yang kami jelaskan dalam edisi Januari majalah tata surya kita - tetapi lebih radikal.
Dalam hal ini, proporsi elemen cahaya di planet-planet di zona layak huni bintang bermassa rendah pada awalnya akan sangat tinggi - jauh lebih banyak daripada di Bumi. Kemudian suar bintang yang kuat, bahkan jika mereka menghilangkan massa air yang besar, masih tidak akan mengurangi "cadangan" air di planet-planet seperti itu di bawah permukaan bumi.
Skenario kedua yang mungkin untuk bertahan hidup di bawah sinar ultraviolet, tentu saja, adalah lapisan ozon. Menurut perhitungan para astronom, dengan adanya atmosfer oksigen yang nyata dan lapisan ozon yang konstan, bahkan pada saat-saat kobaran api yang serius, tingkat rata-rata radiasi UV yang mencapai permukaan planet terestrial dalam sistem katai merah tidak akan jauh lebih tinggi. daripada di Bumi. Ini akan menjadi benar terutama di mana kepadatan atmosfer terasa lebih tinggi daripada Bumi.
Skenario ini memiliki satu titik lemah: sejumlah besar oksigen bebas harus datang dari suatu tempat. Dilihat dari pengalaman kehidupan terestrial, ia muncul hanya miliaran tahun setelah pembentukan planet ini - karena aktivitas para ahli fotosintesis yang menghasilkan oksigen (seperti yang kami katakan di atas, tidak semua organisme fotosintetik melakukan ini). Tapi dari mana datangnya lapisan ozon yang serius di planet-planet muda, jika sinar ultraviolet membunuh semua kehidupan di permukaan?
Di sini jawabannya mungkin terletak pada perlindungan serius yang bahkan lapisan tipis air memberikan makhluk hidup apa pun dari radiasi ultraviolet. Jika organisme fotosintesis tumbuh di lingkungan akuatik, UV tidak mengganggunya. Dan ketika oksigen bebas terakumulasi, maka akan menjadi jauh lebih aman di darat (dalam hal mengurangi tingkat radiasi ultraviolet).
Penangkapan pasang surut: apakah mungkin ada kehidupan di bawah matahari yang diam?
Orang-orang yang skeptis akan mengingat masalah lain yang sering dikutip dari planet-planet dalam katai merah - penangkapan pasang surut. Seperti yang telah kami tunjukkan di atas, jarak dari planet yang dapat dihuni pada sistem seperti itu ke bintangnya adalah jutaan kilometer. Planet-planet tetangga dalam sesak seperti itu akan terlihat seperti bulan di langit, dan bulan mereka sendiri - jauh lebih terang daripada bumi.
Jarak yang kecil ke bintang berarti bahwa cepat atau lambat gravitasinya akan "memperbaiki" planet-planetnya. Karena Bumi memaksa Bulan untuk selalu melihat dirinya sendiri hanya dengan satu sisi, katai merah paling sering akan bersinar selamanya di satu sisi planet yang mereka huni, sementara separuh lainnya akan tetap berada dalam bayangan abadi. Inilah yang disebut penangkapan pasang surut dalam kaitannya dengan bintang dan planet. Bukankah kehidupan akan "terbakar" di sisi bunga matahari dan membeku di sisi yang teduh?
Jawaban atas pertanyaan ini datang beberapa tahun yang lalu, ketika para astronom pertama kali menggunakan model terperinci dari perilaku atmosfer planet ekstrasurya untuk memahami apa yang akan terjadi pada mereka jika terjadi penangkapan pasang surut.
Ternyata pemanasan konstan tak terhindarkan menciptakan arus troposfer naik yang sangat kuat dan awan padat di titik "bunga matahari". Begitu padatnya sehingga kita tidak berbicara tentang panas berlebih yang berlebihan dari sisi "bunga matahari" dari planet ekstrasurya. Selain itu, arus naik ternyata cukup kuat untuk massa udara yang dipanaskan untuk kemudian dengan cepat pindah ke "bayangan", sisi gelap planet yang abadi. Faktanya, distribusi suhu di planet seperti itu hanya akan sedikit berbeda dari yang ada di Bumi - meskipun setengah dari permukaan di sini tidak akan pernah melihat matahari lokal.
Tentu saja, ini tidak berarti bahwa biosfer dunia dalam katai merah akan berkembang dengan cara yang sama seperti di negara kita. Ya, bioproduktivitas keseluruhan akan sebanding: di sisi bunga matahari, fotosintesis akan berlangsung sepanjang hari, dan bukan separuh waktu, seperti yang kita lakukan. Tetapi di sisi yang selalu teduh, fotosintesis yang biasa kita lakukan tidak akan pernah menjadi bentuk kehidupan yang dominan. Di sana akan didominasi oleh kemoautotrof - organisme yang menguraikan senyawa tertentu dan dengan demikian hidup. Ini akan menjadi bagian dunia yang agak aneh - tidak mungkin hewan yang berkembang di zaman modern akan pernah masuk. Kehidupan harus berkerumun di dekat lubang hidrotermal di bawah air dan di dekat gunung berapi di darat.
Omong-omong, ada contoh organisme fotosintesis di Bumi yang hidup tanpa sinar matahari. Kita berbicara tentang bakteri belerang hijau yang hidup di kedalaman hingga 2,4 kilometer, di mana sinar matahari tidak masuk. Oleh karena itu, mereka hanya menggunakan cahaya redup dari ventilasi hidrotermal terdekat. Sumber energi pancaran ini adalah pemanasan senyawa yang muncul dari bawah permukaan planet, oleh karena itu cahaya yang digunakan oleh bakteri belerang berwarna merah, ditambah bagian dari jangkauan inframerah.
Jelas, fotosintesis "termal" seperti itu dapat ditemukan di sisi bayangan planet dalam katai merah. Tetapi juga jelas bahwa kehidupan yang kompleks tidak dapat terungkap atas dasar seperti itu: sisi bayangan selamanya akan tetap menjadi cadangan bagi bentuk-bentuk kehidupan primitif.
Dunia berpenghuni super
Tetapi katai merah memiliki ciri-ciri yang secara tegas ditafsirkan oleh para ilmuwan sebagai hal yang menguntungkan bagi kehidupan. Bahkan bintang merah terbesar (dengan massa seperempat matahari) hidup setidaknya selama satu triliun tahun. Yang paling tidak masif berusia lebih dari 10 triliun tahun. Kata "hidup" seharusnya tidak menyesatkan: sementara Alam Semesta bahkan belum berusia 14 miliar tahun, oleh karena itu, pada kenyataannya, tidak ada satu pun katai merah yang berhasil mencapai akhir jalur hidupnya dan menjadi biru pertama dan kemudian menjadi bintang. katai hitam.
Alasan siklus hidup super panjang adalah konsumsi hidrogen yang rendah dan ketidakmungkinan, karena ukurannya yang kecil, untuk memasuki fase super raksasa merah, yang dalam lima miliar tahun akan menjadi Matahari. Oleh karena itu, katai merah dengan biosfer harus memberi mereka waktu maksimum untuk berevolusi. Di planet kita, kehidupan terestrial yang kompleks dengan tumbuhan dan hewan tingkat tinggi hanya ada setengah miliar tahun. Jika orang tidak menemukan sesuatu yang luar biasa, dalam satu miliar tahun lagi kehidupan ini akan hilang: luminositas Matahari secara bertahap meningkat.
Secara teori, "penyejuk udara karbon" bekerja di Bumi - sebuah mekanisme yang membuatnya tidak terlalu panas. Ketika ada terlalu banyak radiasi matahari, CO2 di atmosfer bumi lebih cepat terikat oleh batuan, setelah itu kekuatan efek rumah kaca berkurang, dan suhu turun lagi ke tingkat yang dapat diterima.
Tetapi masalahnya adalah bahwa penurunan kandungan karbon dioksida seperti itu berbahaya. Pada zaman es terakhir, CO2 di udara adalah 180 bagian per juta, dan sudah pada 150 bagian per juta, semua pohon akan mati. Beberapa rumput akan dapat berfotosintesis dengan lebih sedikit karbon dioksida di udara, tetapi di bawah 50 ppm, hampir semua tanaman kompleks akan mulai mati.
Kita manusia mampu memecahkan masalah peningkatan bertahap dalam radiasi katai kuning kita: misalnya, dengan membangun cermin besar di orbit yang memantulkan sebagian radiasi matahari. Tetapi pada katai merah, masalah seperti itu, pada prinsipnya, tidak muncul: kehidupan yang kompleks tidak memiliki 1,5 miliar tahun untuk perkembangan alami, tetapi setidaknya ratusan miliar. Pada katai merah bermassa rendah dari tipe TRAPPIST-1, kita berbicara tentang triliunan tahun.
Secara teori, ini adalah keuntungan besar bagi pengembangan hampir semua biosfer yang kompleks. Ratusan, jika tidak ribuan kali lebih lama dari yang ada di Bumi, ia mampu naik ke bentuk kehidupan yang lebih kompleks dengan probabilitas tinggi. Siapa tahu: bahkan mungkin untuk yang masuk akal?
Pertahankan suhu yang stabil
Fitur positif lain dari katai merah dan jingga sampai batas tertentu adalah tidak adanya zaman es.
Secara umum, peristiwa seperti itu, sampai saat ini, jarang terjadi di Bumi. Kurang lebih secara teratur, mereka mulai hanya dua juta tahun yang lalu, dan sebelum itu planet ini jauh lebih hangat. Lima juta tahun yang lalu, pohon beech tumbuh di pantai Antartika, dan Novaya Zemlya, tiga juta tahun yang lalu, tetap tertutup hutan gugur. Sejak itu, setelah penurunan konsentrasi CO2 di atmosfer, planet ini memasuki periode iklim yang tidak stabil secara kronis, yang tidak diketahui sebelumnya.
Setiap beberapa puluh ribu tahun, es mulai bergerak maju di lintang rendah, di sepanjang jalan, secara tajam mengurangi produktivitas biosfer. Bukan hanya penurunan suhu: karena mereka, volume presipitasi juga turun, membuat planet ini sepi. Hanya 20 ribu tahun yang lalu, lebih dari setengah daratan Bumi adalah gurun Arktik atau berpasir.
Tetapi untuk katai merah, skenario ini tidak dapat bekerja: iklim mereka jauh lebih stabil. Matahari memiliki sedikit kurang dari setengah energi radiasi di bagian spektrum inframerah. Radiasi ini tidak dipantulkan dari air es, tetapi diserap olehnya, menyebabkan pencairan. Separuh energi sinar matahari yang tersisa berada dalam rentang sinar tampak dan UV, dan gelombang ini secara efektif dipantulkan oleh es ke luar angkasa, yang mengarah pada peningkatan pendinginan Bumi. Oleh karena itu, awal dari setiap glasiasi menghasilkan umpan balik positif: lebih banyak es - bahkan planet yang lebih dingin - lebih banyak es. Dan begitu dalam lingkaran.
Pada katai merah, hingga 95% radiasi jatuh pada bagian spektrum inframerah, sehingga es di sana tidak dapat "mendinginkan" planet dengan sendirinya. Jadi setiap timbulnya es sementara (misalnya, setelah musim dingin vulkanik atau asteroid atau penurunan aktivitas bintang jangka pendek) ternyata sangat singkat. Tidak ada zaman es yang bisa berlangsung lama di sana.
Ini berarti tidak hanya produktivitas biosfer yang lebih tinggi secara keseluruhan daripada di Bumi, tetapi juga pemulihan "cepat" setelah setiap kepunahan besar. Dilihat dari planet kita, mereka - bahwa dalam kasus dinosaurus, bahwa dalam kasus Kepunahan Hebat akhir Permian - terjadi tepat selama periode cold snap dan permulaan aktif es. Tetapi untuk bintang bermassa rendah, serangan semacam itu akan singkat, itulah sebabnya kedalaman kepunahan massal spesies mungkin lebih kecil daripada di planet kita.
Mari kita rangkum. Ancaman terhadap kehidupan di planet katai merah berdasarkan bukti ilmiah terbaru terlihat sangat dibesar-besarkan. Dilihat dari tingginya kandungan komponen ringan di dalamnya, mereka kaya akan air. Pada sejumlah besar dari mereka, tidak ada dingin destruktif dari belahan bumi bayangan abadi, dan panas berlebih dari belahan bumi yang selalu siang.
Selain itu, ada selusin kali lebih banyak daripada planet di sekitar katai kuning, dan secara teori, seharusnya ada jumlah biosfer "bintang merah" yang sama di Semesta. Dari sekitar 50 miliar planet Galaksi yang berpotensi dihuni, lebih dari 40 mengorbit di sekitar katai merah dan oranye, dan hanya lima di sekitar bintang kuning seperti bintang kita.
Tetapi intinya bukan hanya bahwa ada lebih banyak eksoplanet "bintang merah" dari tipe terestrial secara numerik. Kehidupan kompleks di masing-masing dunia bintang merah yang dihuni akan ada ratusan kali lebih lama dari kita. Dengan kata lain, sebagian besar makhluk hidup dapat menjadi penghuni planet-planet seperti itu - dan sama sekali bukan "kembaran Bumi".