Оценка расстояния до ближайшей обитаемой планеты

[vika vorobyeva]

Такое сложное инженерно-техническое мероприятие, как отправка межзвездного зонда через 100 лет, должно быть серьезно мотивировано. Простое изучение соседних планетных систем удобнее делать с помощью гигантских космических телескопов интерферометров. Интерферометр хорош тем, что выдает информацию сразу (а зонду нужно как минимум несколько столетий, чтобы добраться до соседней планетной системы), его можно перенаправить на другую систему (а зонд – штука монозадачная), он не требует бешеных затрат энергии на разгон и торможение. Если в целевой планетной системе нет того, что требует контактных исследований, ее проще, надежнее и дешевле исследовать удаленно с помощью космического телескопа.
Одной из причин, требующих отправки зонда, может быть открытие внеземной жизни (чем еще можно мотивировать отправку межзвездного зонда, я, честно говоря, не знаю – учитывая гору технических проблем, которые так или иначе придется в связи с этим решать). Поэтому для начала стоит оценить расстояние до ближайшей обитаемой планеты.

Поскольку с условиями, необходимыми для зарождения жизни, пока ничего не ясно, надо рассматривать сразу спектр возможностей.
A. Самая консервативная. Жизнь может возникать только на планетах земного типа у солнцеподобных звезд. Соответственно, мы ищем аналоги Земли у аналогов Солнца.
B. Жизнь также может возникать на крупных спутниках планет-гигантов, вращающихся в обитаемой зоне своих звезд.
C. Жизнь может возникать также на приливно захваченных планетах земного типа у красных карликов.
D. Жизнь возникает в любой теплой подсоленной луже.
В последнем случае микробы могут обитать также в недрах ледяных планет и тектонически активных спутников планет-гигантов. В Солнечной системе это – Европа, Ганимед, Титан, Энцелад, Тритон, может быть также Диона, Ариэль, Плутон и пр. В случае D понятие обитаемой зоны теряет смысл, точнее – она расширяется на весь космос за вычетом горячих окрестностей звезд.
Реализуется ли вариант D, станет ясно еще до отправки межзвездного зонда, к концу (а может, даже и к середине) 21 века. Скорее всего, лишенная солнечного света подледная биосфера сидит на голодном энергетическом пайке и ее развитие не идет дальше бактерий и бактериальных сообществ. В любом случае, подобные биосферы (если они есть) гораздо удобнее изучать в Солнечной системе. Дальше мы вариант D в применении к отправке межзвездного зонда не рассматриваем.
Итак, у нас остаются варианты: A, A+B, A+C, A+B+C.

Рассмотрим все возможности по отдельности.
А1. Что считать аналогом Солнца?
Понятно, что это не только звезды спектрального класса G2 V. Но как далеко можно безболезненно отойти от параметров нашего Солнца? С одной стороны, звезда должна быть достаточно яркой, чтобы планета на расстоянии эффективной земной орбиты не была приливно захвачена (если она захвачена – это уже возможность C). С другой стороны, звезда должна просуществовать на главной последовательности хотя бы несколько миллиардов лет, чтобы жизнь смогла развиться до многоклеточных форм. Я оценила интервал солнцеподобности звезд с F8 V по K3 V (у последних радиус эффективной земной орбиты составляет ~0.4-0.5 а.е., т.е. сравним с большой полуосью орбиты Меркурия). В принципе, четкие границы солнцеподобности – предмет отдельного обсуждения.
Согласно http://phl.upr.edu/projects/nearby-stars-catalog
(там приведены звезды, удаленные от Солнца менее чем на 10 пк) из 270 звезд солнцеподобными формально являются 35. Я вычеркнула явно молодые (подобные Эпсилон Эридана), тесные двойные и пр. Остались: альфа Центавра Б (6 млрд. лет), тау Кита (5.8 млрд. лет), омикрон Эридана А (она же Gliese 166A) – возраст неизвестен, 70 Ophiuchi A (Gliese 702A), сигма Дракона (Gliese 764), эта Кассиопеи A (Gliese 34A), Gliese 139 (она же HD 20794 – известны 3 планеты земного типа!), Gliese 892, Gliese 667А, Gliese 105А, Gliese 33, Gliese 66 А+В, Gliese 475, Gliese 438, Gliese 506, Gliese 17, Gliese 222А, Gliese 250 А, GJ 1054 B, Gliese 785 (известны 2 планеты), GJ 3820, Gliese 216 B, Gliese 502, Gliese 137, Gliese 442A, Gliese 432 A, Gliese 434, Gliese 631, Gliese 75. Итого 30 звезд. Это дает среднюю плотность солнцеподобных звезд в 7.16 10^-3 шт./кубический парсек = 2.067 10^-4 шт./кубический световой год. В этом случае одна солнцеподобная звезда приходится на 4.84 10³ кубических световых лет, а среднее расстояние до такой звезды – 16.9 световых лет.

Если взять другой каталог:
http://www.atlasoftheuniverse.com/nearstar.html
охватывающий звезды в пределах 20 световых лет от Солнца, мы получим 12 солнцеподобных звезд и среднюю плотность 3.58 10^-4 шт./кубический световой год. В этом случае одна солнцеподобная звезда приходится на объем 2792.5 кубических световых лет, и среднее расстояние до такой звезды 14 световых лет.
Как мы видим, локальная звездная плотность солнцеподобных звезд получилась в 1.7 раза выше, чем средняя плотность в радиусе 10 пк. Возможно, это связано с неполнотой данных (на больших расстояниях мы видим не все звезды), а может, с недостаточной статистикой или локальными неоднородностями звездной плотности.
В любом случае нам повезло. Ближайшая солнцеподобная звезда (альфа Центавра B) находится на расстоянии всего 4 световых лет, а вторая по удаленности, тау Кита – на расстоянии 12 световых лет. Возраст обеих звезд превышает 5 миллиардов лет.
(Продолжение следует.)

[Инопланетянин]

Вот здесь можно было бы оценить верхний предел размера звезды, при котором ещё можно говорить о возможности обитаемой планеты.
А КК это сейчас активная тема.

[Кремальера]

В любом случае нам повезло. Ближайшая солнцеподобная звезда (альфа Центавра B) находится на расстоянии всего 4 световых лет, а вторая по удаленности, тау Кита – на расстоянии 12 световых лет. Возраст обеих звезд превышает 5 миллиардов лет.

Спасибо за работу! :)Призыв рук-ля проекта в действии!Если учесть еще, что газовые гиганты вокруг альфа Центавра B пока не обнаружены,то значит ,если планеты и будут найдены они все будут земного типа?Вот только как будет влиять вторая парная звезда на гипотетическую планету,не разорвет ли?В любом случае наверное местной жизни там не поздоровится.Ну а если действительно считать альфу Центавра целевой системой,то получается эпический  миф Кэмерона может быть правдоподобным. .И (тьфу,тьфу) нарисуются синие-хвостатые. :PНо одной цели мало,для фонда по типу 100YSS ,наверное будет предусмотрена запасная цель.Тау Кита ,по-моему несколько в стороне(хотя расстояние не намного больше),надо что-то поближе присматривать.

Если в целевой планетной системе нет того, что требует контактных исследований, ее проще, надежнее и дешевле исследовать удаленно с помощью космического телескопа.

Бесспорно.Наверное через один век можно будет рассмотреть экзопланету,как сейчас рассматривают Марс.Но без контактного исследования может и не получится обойтись,если речь зайдет о высадке на целевую планету(не говоря уже о колонизации).Хотя данные задачи не прописаны еще не в одной программе,ни одного проекта рассматривающего межзвездный перелет.Ибо это нечто уже за гранью.

[Olweg]

Gliese 139 (она же HD 20794 – известны 3 планеты земного типа!)

Может быть, но всё же не факт. Металличность звезды низкая, планеты могут оказаться океанидами/субнептунами.

[vika vorobyeva]

A2. Хорошо, пусть у нас есть солнцеподобная звезда. Какова вероятность того, что рядом с ней окажется планета земного типа в обитаемой зоне?
Здесь главные цифры должен дать Кеплер. Пока их нет, придется опираться на достаточно ненадежные оценки, полученные экстраполяцией других данных.
Например, в качестве оптимистической оценки мы можем воспользоваться данными Женевской группы, полученными ими на HARPS`е для красных карликов. Если у красных карликов от 31 до 95% имеют земли или суперземли в обитаемой зоне – пусть и у желтых карликов наблюдается та же картина. В качестве пессимистической оценки можно взять прошлогодние данные Кеплера о количестве планет земного типа у G-звезд, а именно – 6.1% . Эта оценка выглядит сильно заниженной, поскольку с тех пор было открыто много новых транзитных кандидатов небольших размеров. Вообще, до радиусов 2-3 радиуса Земли выполняется зависимость N ~ R^-2, где R – радиус планеты. Так что грубо (с точностью до фактора 2) можно оценить распространенность планет земного типа у G-звезд в 30%.

Тут многое зависит от простого везения. Повезет нам – ближайший аналог Земли будет найден у альфы Центавра. Сейчас эту систему активно мониторят и Калифорнийская, и Женевская группы. Планет-гигантов там нет, это уже ясно, но планеты земной группы или суперземли пока не исключены (они под порогом обнаружения). Моделирование этой системы показывает, что орбиты маломассивных планет в обитаемой зоне динамически устойчивы (у альфы Центавра B точно). Но есть ли они там – вопрос. 30% за то, что есть, и первый межзвездный зонд полетит к Толиману. 70% за то, что нет – и тогда возможная цель у G-звезды находится в 3 раза дальше.

Тау Кита - № 2 в нашем списке. Одиночная звезда спектрального класса G8 V. В 2004 году рядом с ней обнаружен пылевой диск, примерно в 10 раз более массивный, чем в Солнечной системе. По астрометрическим наблюдениям с Хаббла у тау Кита исключены коричневые карлики и массивные планеты-гиганты на широких (больше 5 а.е.) орбитах, отсутствие заметных колебаний лучевой скорости звезды делает маловероятными эти планеты на тесных орбитах. Судя по всему, планеты земного типа там все-таки есть, но какие и где? Дело осложняется тем, что звезда повернута к нам примерно полюсом (судя по низкой измеренной скорости вращения), так что метод лучевых скоростей может здесь буксовать. Тау Кита содержит от 22 до 74% солнечного содержания тяжелых элементов, что также согласуется с отсутствием рядом с ней планет-гигантов.
Чисто субъективно даю ей 50% за то, что там есть планета земного типа в обитаемой зоне.

Если мы пролетаем и с Тау Кита (оставаясь в рамках сценария А), то цель № 3 – тройная система омикрон Эридана с оранжевым карликом омикрон Эридана А (спектральный класс K1 V, разделение между компонентами 420 а.е.). До нее уже 16.45 световых лет. Возраст, металличность и участие в наблюдательных программах этой звезды надо искать, навскидку не нашла.
(Продолжение следует.)

[Klapaucius]

Меня всегда удивляла нелинейность диаграммы Герцшпрунга-Рассела. Есть некое плато:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:HRDiagram.png
На приведённом рисунке оно ограничено примерно F7V-K3V.
Если бы мы провели третью ось, частоты встречаемости, просто или окрасили эту полосу по такому признаку, стало бы понятно, что слева вверху всё жиденько, справа внизу находится подавляющее большинство звёзд. Солнце - звезда очень крупная, редко встречающаяся, и лежащая очень близко к левому перелому.

Не может ли так быть, что и развитая жизнь возможна только на этом "плато" звёзд? Слева очень редкие и маложивущие звёзды, справа  - красные карлики, зона жизни которых под некоторым сомнением (планеты обращены к звезде одной стороной, или в резонансе с другими планетами - несколько независимых факторов в пользу того, что при приемлемых температурах там значительно темнее, и фотосинтез под вопросом, также планеты не могут иметь луны, что может оказаться важным). Хотя таких звёзд, тех что справа внизу, больше, грубо говоря на порядок, чем всех остальных вместе взятых, Но если например их исключить из рассмотрения (я бы не стал этого делать, но на сегодня это исключило бы многие вопросы из обсуждения, до открытий Кеплера и др.), среднеожидаемое расстояние до ближайшей "живой" звёздной системы вырастет лишь в кубическом корне из 10, примерно в 2 раза.

[vika vorobyeva]

A2, продолжение.
В интервале от 16 до 20 световых лет от нас находится уже 9 солнцеподобных звезд, и мы можем перейти от индивидуального рассмотрения к статистическому. Если нам не повезет с Толиманом или Тау Кита, ближайшая планета земного типа в обитаемой зоне G-звезды почти гарантированно найдется в интервале расстояний 16-20 световых лет.

Возможность B. Как оказалось, включение спутников планет-гигантов никак не поможет нам в смысле приближения возможного обитаемого мира. Ни у альфы Центавра, ни у Тау Кита нет планет-гигантов в обитаемой зоне. Вообще, распространенность планет-гигантов на орбитах до 2.5 а.е. у звезд солнечной массы и металличности оценивается в 8.5%, что в несколько раз меньше распространенности планет земного типа. Безусловно, в космосе возможны эффектные системы, включающие в себя массивную планету-гигант с целым ожерельем обитаемых спутников (возникнув на одном из них, жизнь гарантированно будет разнесена по всей спутниковой системе метеоритными ударами), но это все-таки экзотика. Примерами таких систем могут служить HD 108874 (68.5 пк) или HD 188015 (52.6 пк):
http://allplanets.ru/star.php?star=HD%20108874
http://allplanets.ru/star.php?star=HD%20188015

(Продолжение следует.)

[Zhak RRR]

Почему снова КК отбрасываются?

[Инопланетянин]

Условно отбрасывается. В теме про КК доказывают уже 75 страниц, что жизнь на таких планетах возможна. Даже опыт с рассадой под лампочками сделали. И, на мой взгляд, доказано, что жизнь там может быть.

также планеты не могут иметь луны, что может оказаться важным

На тамошних расстояниях соседние планеты и будут лунами и по приливным воздействиям и по видимому диску.

[Zhak RRR]

  Верните КК среди них есть ближайший очень Яркий Я вам сказать хочу планета гигант может быть даже на орбите Проксимы (С) просто система старая, и планета уже остыла, период обращения такой планеты больше 15 лет! У двух Жёлто-Оранжевых звёзд этого нет. Там Максимум планеты с Нептун могут быть, Дальше идёт звезда Барнарда у которой тоже планеты не могут открыть уже какой 10 лет!!!! Говорит это о том что планет там нет?! А Тау Кита мне ваше не нравиться тем что там Астероиды будут в 10 раз чаще падать на планету с Жизнью!!! Да большая часть красных карликов рядом. Звёзд типа солнце мало очень!!! Оранжевых чуток больше особенно на нижних приделах ближе КК! А вот вопросик интересно что произошло с планетами у Сириуса их вышвырнула вон наверное после таких событий?!

[Zhak RRR]

82 Эридана
b   0,008±0,001   ?   18,315±0,008   0,121±0,002   
c   0,008±0,001   ?   40,114±0,053   0,204±0,003   
d   0,015±0,002   ?   90,31±0,18   0,35±0,006

Очень хорошая Система для проекта Дарвин.:-) Правда это супер земли горячи. но там что то дальше ещё должно быть.

[vika vorobyeva]

В отличие от возможности B, возможность C (т.е. включение в рассмотрение приливно захваченных планет в обитаемой зоне красных карликов) резко меняет картину. Из 109 звезд, находящихся на расстоянии менее 20 световых лет от Солнца, 2 звезды класса A, одна звезда класса F, 6 звезд класса G, 16 звезд класса K и 78 звезд класса M. Однако далеко не все М-звезды подходят для того, чтобы дать приют обитаемым планетам. Поздние красные карлики при малой болометрической светимости обладают мощной вспышечной активностью и поливают близкие планеты потоками ультрафиолета, рентгена и звездного ветра. Поэтому нам нужны поздние К и ранние М-карлики, достаточно спокойные и яркие.
Сюда попадают звезды от K4 V до M4 V. Среди ближайших 109 звезд их 39 штук + я включила древнюю и спокойную звезду Барнарда (спектральный класс M5 V), итого 40.
Отсюда плотность «хороших М-карликов» получается равной 1.2 10^-3 шт./куб.св. год, один «хороший» М-карлик приходится на 838 кубических световых лет, и среднее расстояние между нами – 9.4 световых лет (кстати, расстояние до ближайшего «хорошего» М-карлика – звезды Барнарда – 6 световых лет, а до следующего – Lalande 21165 – 8.3 световых лет).
Если принять оценку Женевской группы, что 41 ⁺⁵⁴/_-13% красных карликов имеют планеты земного типа в обитаемой зоне, то (если у звезды Барнарда таковых не найдется) ближайший красный карлик с потенциально обитаемой планетой находится на расстоянии 8-10 световых лет.
(Продолжение следует.)

[Кремальера]

Безусловно, в космосе возможны эффектные системы, включающие в себя массивную планету-гигант с целым ожерельем обитаемых спутников (возникнув на одном из них, жизнь гарантированно будет разнесена по всей спутниковой системе метеоритными ударами), но это все-таки экзотика. Примерами таких систем могут служить HD 108874 (68.5 пк) или HD 188015 (52.6 пк):

Это очень эффектные системы,не промахнешься точно:если у относительно многочисленных(штук 20) спутников гиганта условия будут колебаться(плюс-минус лапоть),то хоть один из них должен быть подходящий.Но вся беда в том ,что до такой системы и через век не дотянутся. :-[А как прицел на отдаленное будущее -неплохие варианты.

[armadillo]

приличная атмосфера у спутника гиганта в зоне воды - это редкость. Не удержат, и ее выкинет+сорбирует на гигант.
В результате будут Луны.

[vika vorobyeva]

Резюме.
Если пренебречь везением, которое может подарить нам подходящие планеты у самых ближайших звезд (альфы Центавра A и B, звезды Барнарда и Тау Кита), то ближайшая потенциально обитаемая планета у красного карлика находится на расстоянии 8-10 световых лет, а ближайшая потенциально обитаемая планета у солнцеподобной звезды – на расстоянии 16-20 световых лет.
Дальше все упирается в вероятность самозарождения жизни, т.е. в долю реально обитаемых планет среди потенциально обитаемых. Если эта вероятность равна Х, то оценка расстояния до ближайшей обитаемой планеты увеличивается в Х^-1/3 раз. Иначе говоря, если жизнь зарождается только у одной планеты из тысячи подходящих, расстояние до ближайшей планеты надо увеличить в 10 раз (80-100 световых лет до обитаемой планеты М-карлика и 160-200 световых лет до обитаемой планеты у G-звезды).

[armadillo]

Давайте помоделируем конкретные системы.

(альфы Центавра A и B, звезды Барнарда и Тау Кита)

какие планеты там могут быть?
Может ли быть в Центавре Земля с Луной? Или только без Луны?
Марс уже вряд ли.

[vika vorobyeva]

Давайте помоделируем конкретные системы.

(альфы Центавра A и B, звезды Барнарда и Тау Кита)

какие планеты там могут быть?

А смысл это делать?
Устойчивые орбиты там есть - но отсюда совершенно не следует, что по этим орбитам что-то летает

На мой взгляд, надо сосредоточить усилия на создании хорошего космического интерферометра. Имея такой телескоп, мы будем не гадать, а точно знать. И про Толиман, и про звезду Барнарда, и про Тау Кита

[armadillo]

несомненно, но на форуме можно и помоделировать)
и разобрать что мы уже знаем, а что нет.
горячей земли там нет - мы бы уже заметили? а Меркурия?

[Zhak RRR]

  Подождите от вспышек спасает плотная атмосфера планеты:) Lalande 21165 тоже спокоен. Нам нужен телескоп Виде Дарвина тогда точно в ближайшем окружении 10 парсек все системы можно будет обнаружить! Приставьте окажеться что жизнь есть у около звезды Альфы Центавры В или ещё лучше около проксимы земля в обитаемой зоне!! Да или Около Барнарды! Или Lalande 21165 у него:-) и так далее!!!

[vika vorobyeva]

приличная атмосфера у спутника гиганта в зоне воды - это редкость. Не удержат, и ее выкинет+сорбирует на гигант.
В результате будут Луны.

У Титана - очень приличная атмосфера, и наличие рядом Сатурна ей нисколько не мешает.
Если вокруг прохладного гиганта будет вращаться планета размером немного больше Марса, что помешает ей сохранить атмосферу и гидросферу? Особенно если приливное взаимодействие с другими спутниками простимулирует ее вулканическую и тектоническую активность?