Cirkumstelarna nastanjiva zona

Cirkumstelarna nastanjiva zona, okolozvezdana zona ili ekosfera zvezde je uzan prsten oko matične zvezde, u kojoj vladaju uslovi za život slični onima kakave poznajemo na Zemlji. To je prostor oko zvezde u kome su uslovi pogodni za stvaranje života zasnovanog na ugljeniku. Određen je visinom temperature, koja treba da omogući postojanje tečnog omotača. Nastanjivnj zine za toplije zvezde su daleko od zvezde, ali su i šire, jer su toplije zvezde sjajnije i luminoznije.

Dijagram koji prikazuje granice naseljene zone oko zvezda i kako na te granice utiču određeni tipovi zvezda. Ovaj prostor uključuje planete Sunčevog sistema (Veneru, Zemlju i Mars), kao i posebno značajne egzoplanete poput Trapist-1d, Kepler-186f i našeg najbližeg suseda Proksime Kentauri b

Ova zona nije samo jedan pojas u ravni ekvatora zvezde (kako se običo grafički prikazuje), već je to sfera koja obavija čitavu zvezdu. Utvrđivanje nastanjivih zona nalazi se u funkciji traganja za životom, što ponekad, gubi iz vida astrobiološki smisao izučavanja. Jer kada astrobiolozi i drugi naučnici govore o životu van naše planete onda obično oni misle na život koji nam je poznat, koji je u svojoj osnovi isti kao ovaj naš na Zemlji. Međutim možda duboko u svemiru postoji sasvim drugačiji oblici života, zasnovani na nekim egzotičnim elementima, ali to je malo verovatno i sa naučnog stanovišta, za sada, neobjašnjivo.

Pravilnija definicija

Kako cirkumstelarna nastanjiva zona zavisi ne samo od tipa zvezde, već i od prirode tela na kome se očekuje prisutvo tečne vode, ili to telo ima odgovarajuću atmosferu, pravilnija definicija nastanjive zone glasila bi:

„ To je ono područje oko zvezde u okviru kojeg telo planetarne mase sa odgovarajućom atmosferom (azot, voda, ugljen-dioksid) i dovoljnim atmosferskim pritiskom ima na svojoj površini tečnu vodu. ”

Od 2001. godine u literaturi se sreće i pojam glaktička habitaciona zona (skraćeno GHZ).

Istorijat

Ideja o nastanjivim zonama stara je preko šest decenija pa njene začetke nalazimo u literaturi iz 1953. godine. Sam termin nastanjiva zona (engl. habitable zone) skovan je 1959. godine od strane američkog astrofizičara kineskog porekla Su Šu Huanga.

Dalja saznanja o nastanjivim zonama kako se budu razvijala menjaće i njihovu definiciju, tako da će sa većim poznavanjem života i dubljim prodorima u tajne univerzuma, ona pretrpeti još dosta u svom sadržaju.

Opšta razmatranja

Nastanjiva zona ili orbitalni region oko zvezde, je prostor u kome zemljište nalik Zemlji može posedovati tečnu vodu na svojoj površini i tako eventualno podržati život. Tečna voda je od suštinskog značaja za života na Zemlji, pa definicija nastanjive zone zasniva se na pretpostavci da vanzemaljski život mora ispuniti ovaj zahtev. Ovo je veoma konzervativna definicija, jer u nastanjivoj zoni temperatura mora da bude u određenom intervalu koji omogućuje postojanje života. Ukoliko se radi o vodenom omotaču temperatura treba da se kreće između 0 i 100 ⁰S. U slučaju viših pritisaka temperature mogu da budu i preko 100 ⁰S.

Temperatura na površini planete ne zavisi samo od njene blizine sopostvenoj zvezdi već i od drugih faktora kao što je efekat staklene baštu, koji ima svojstvo da apsorbuje infracrveno zračenje i toplotu sa površine planete.

Štaviše, unutrašnji izvori energije kao što je radioaktivno raspadanje može zagrejati površinu planete do tačke topljenja vode. Ovi izvori energije mogu održavati podzemne rezervoare tečne vode, tako da planeta može da sadrži život iako se ona ne nalazi u naseljivoj zoni svoje zvezde. Zemlja, na primer, ima ispod površine biosferu, koja se sastoji skoro isključivo od jednostavnih organizama koji mogu opstati u kiseonikom siromašnoj sredini. Jupiterov mesec Evropa ima tečnu vodu u okeanima koji su desetine kilometara ispod njegove površine, i može imati uslove za stanovanje nekih organizama.

Oko 40 planete, uključujući najbliže ekstrasolarne planete, koje su u sistemu Proksima Kentauri, i tri planete sistemu Trapist-1, poseduje orbite unutar nastanjiva zona njihovih zvezda. Tako su npr. astronomi Evropske južne ospervatorije (ESO) 24. avgusta 2016. godine saopštili su da je u sazvežđu Kentauri otkrivena planeta slična Zemlji, nazvana Proksima Kentauri B. Ova planeta orbitira u nastanjivoj zoni oko Proksime Kentauri na rastojanju od približno 0,05 astronomskih jedinica (oko 7 miliona kilometara). Masa joj je procenjena na oko 1,3 Zemljine, a krug oko Proksime Kentauri napravi za oko 11,2 zemaljska dana. Procenjena temperatura na površini planete omogućuje postojanje tekuće vode.

Astronomi su takođe koristili klimatske simulacije za ekstrasolarne planete (npr poput Keplera-452B) i utvrdili da mogu imati površinsku vodu pod pravim klimatskim uslovima. Masa planete Kepler-452b je verovatno pet puta veća od Zemljine, a sila teže dvostruko jača od one na Zemlji, iako su izračunate mase egzoplanete samo grube procene. Ako se radi o terestričkoj planeti, onda je najverovatnije Superzemlja sa mnogo aktivnih vulkana zbog toga što ima veću masu i gustinu. Oblaci na planeti bi tada bili gusti i magloviti, a gledano iz svemira pokrivali bi veliki deo površine. Kepler-452 bi izgledao skoro identično kao Sunce ako bi se gledao sa površine Kepler-452b egzoplante.

Nije poznato da li je Kepler-452b terestrička planeta ili mala gasovita planeta, ali obzirom na njegov mali poluprečnik, postoji relativno velika verovatnoća (između 49% i 62%) da je stenovita planeta. Nije poznato da li Kepler-452b ima nastanjivu sredinu, ali je poznato da kruži oko zvezde tipa G2V, kao što je Sunce, uz skoro identičnu temperaturu i masu ali sa 20% većom luminiscencijom. Međutim, zvezda je stara oko 6 milijardi godina, što je 1,5 miljardi godina više od Sunca. U ovoj fazi razvoja zvezde, Kepler-452b prima 10% više energije od svoje zvezde nego što trenutno Zemlja prima od Sunca. Ako je Kepler-452b stenovita planeta, moguće je da je na njoj prisutan efekat staklene bašte sličan onom na Veneri.

Sunčev sistem

U sunčevom sistemu, zona pogodna za život pokriva prazninu od 0,95 do 1,37 astronomskih jedinica od Sunca i u ovoj oblasti su planete Venus, Zemlja i Mars. Naučnici veruju da će kolonizacija prostora u solarnom sistemu u prvoj fazi pokriti samo područje koje je pogodno za život.

Zemljina orbitalna temperatura

Kako Zemljina orbita nije krug, moraju se uzeti u obzir parametre elipse. Radijus zemaljine orbitalne ravni je jednak:

Zone pogodne za život u planetarnim sistemima Sunca i Gliese 581

$R_{EA}=1.52097701\cdot 10^{11}$m

Radijus zemljine orbitalne ravni je:

$R_{EP}=1.47098074\cdot 10^{11}$m.

Magnituda polumeseca Zemljine orbite:

$a_{E}=R_{E.orb}=1.495978875\cdot 10^{11}$m,

a veličina ekscentričnosti::

$\epsilon _{E}={\frac {\xi _{E}-1}{\xi _{E}+1}}=0.016710219$,

gde je $\xi _{E}={\frac {R_{EA}}{R_{EP}}}=1.033988392$.

Solarna svetlost je konstantna za Sunčev sistem:

$L_{\text{Sol}}=4\pi R_{\text{Sol}}\sigma T_{\text{Sol}}^{4}=3.8460\cdot 10^{26}$Vt,

gde je:

$R_{\text{Sol}}=6.955\cdot 10^{8}$ m — radіus Soncя;

$T_{\text{Sol}}=5780$ K — temperatura poverhnі Soncя;

$\sigma ={\frac {\pi ^{2}k_{B}^{4}}{60c^{2}\hbar ^{3}}}=5.6703730\cdot 10^{-8}$ Vt/(m²·K⁴) .

Vrednost temperature (potencijala) u orbiti Zemlje određena je formulom:

$T_{i}=\left({\frac {L_{\text{Sol}}}{4\pi R_{i}^{2}\sigma }}\right)^{1/4}$K.

Temperatura u orbiti za različite ekstremne tačke data je u ovoj tabeli:

Temperatura u zemljinoj orbiti

n/n	Radijus orbite, m	Temperatura, K
1	$R_{EP}=1.47098074\cdot 10^{11}$	397,4
2	$a_{E}=R_{E.orb}=1.495978875\cdot 10^{11}$	394,1
3	$R_{EA}=1.52097701\cdot 10^{11}$	390,8

Očigledno je da su vrednosti temperature zračenja Sunca u orbiti Zemlje dovoljne za postojanje vode u svim njenim delovima. Tačka topljenja vode jednaka je:

$T_{m}(H_{2}O)=273.16$K,

i temperature isparavanja:

$T_{w}(H_{2}O)=373.16$K.

Prema tome, u svim delovima orbite Zemlje, imamo niz potencijalnih temperatura (390,8 — 397,4) K, koje prelaze tačku ključanja vode! Ovo stvara određenu količinu odraza sunčeve svetlosti iz atmosfere, u zemljištu, vodi i snegu (ledu). Takođe je jasno da Mars ne ispunjava ovo uslove jer ne poseduje vatrostalnu čvrstoću na svoje površini i atmosferu. Potencijalna temperatura u orbiti Mars je jednaka:

$T_{\text{Mars}}=\left({\frac {L_{Sol}}{4\pi R_{\text{Mars}}^{2}\sigma }}\right)^{1/4}=319.255$K,

gde je $R_{\text{Mars}}=2.27939\cdot 10^{11}$m — je radijus orbite Marsa.

Dodatna literatura

• Prantzos, Nikos (2006). „On the Galactic Habitable Zone”. Space Science Reviews. 135 (1–4): 313—322. Bibcode:2008SSRv..135..313P. arXiv:astro-ph/0612316 . doi:10.1007/s11214-007-9236-9. 

Spoljašnje veze

• „Circumstellar Habitable Zone Simulator”. Astronomy Education at the University of Nebraska-Lincoln. 
• „The Habitable Exoplanets Catalog”. PHL/University of Puerto Rico at Arecibo. 
• „The Habitable Zone Gallery”. 
• „Stars and Habitable Planets”. SolStation. Arhivirano iz originala 28. 6. 2011. g. 
• Interstellar Real Estate: Location, Location, Location – Defining the Habitable Zone
• „Exoplanets in relation to host star's current habitable zone”. www.planetarybiology.com. 
• „exoExplorer: a free Windows application for visualizing exoplanet environments in 3D”. www.planetarybiology.com. 
• Shiga, David (19. 11. 2009). „Why the universe may be teeming with aliens”. New Scientist. 
• Simmons; et al. „The New Worlds Observer: a mission for high-resolution spectroscopy of extra-solar terrestrial planets” (PDF). New Worlds. 
• Cockell, Charles S.; Herbst, Tom; Léger, Alain; Absil, O.; Beichman, Charles; Benz, Willy; Brack, Andre; Chazelas, Bruno; Chelli, Alain (2009). „Darwin – an experimental astronomy mission to search for extrasolar planets” (PDF). Experimental Astronomy. 23 (1): 435—461. Bibcode:2009ExA....23..435C. doi:10.1007/s10686-008-9121-x. 
• Atkinson, Nancy (19. 3. 2009). „JWST Will Provide Capability to Search for Biomarkers on Earth-like Worlds”. Universe Today. Arhivirano iz originala 27. 03. 2009. g. Pristupljeno 04. 11. 2019.