Σπάνια Γη: Ο κανόνας της Χρυσομαλλούσας

Κατοικήσιμη ζώνη του Ήλιου. Πηγή εικόνας: astrobiology.com

Κάθε χρόνο εντοπίζονται όλο και περισσότεροι εξωπλανήτες. Πλανήτες, δηλαδή, που θα μπορούσαν να κατοικηθούν, καθώς έχουν πολλά κοινά χαρακτηριστικά με τη Γη. Μετά από χρόνια διαστημικής εξερεύνησης, σε κανέναν πλανήτη δεν έχει βρεθεί οποιαδήποτε μορφή ζωής. Η Γη είναι ένας  εξαιρετικά σπάνιος πλανήτης. Ποια είναι όμως τα χαρακτηριστικά αυτά που καθιστούν την τόσο σπάνια Γη κατοικήσιμη;

Η εμφάνιση της ζωής στη σπάνια Γη

Η πρώτη μορφή ζωής εμφανίστηκε στη Γη πριν 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια μέσα στον ωκεανό. Οργανισμοί του ενός απύρηνου κυττάρου εξελίχθηκαν με το πέρασμα εκατομμυρίων ετών σε πολυκυτταρικούς. Η ζωή αναδύθηκε από τη θάλασσα με τη μορφή χερσαίων φυτών και ζώων. Διαφοροποιήθηκε όταν πολλά νέα είδη έκαναν την εμφάνισή τους και πολλά άλλα εξαφανίστηκαν. Εκατομμύρια χρόνια μετά, εμφανίστηκαν οι δεινόσαυροι και έπειτα χάθηκαν. Σήμερα τα πιο εξελιγμένα πρωτεύοντα θηλαστικά, κάτοικοι σε μια σπάνια Γη, ψάχνουν για ζωή σε άλλους πλανήτες.

Κάποτε πιστεύαμε ότι ο Ήλιος και τα άστρα γυρνούσαν γύρω από τη Γη. Αργότερα ο Γαλιλαίος καταδικάστηκε ως αιρετικός, όταν ανακάλυψε ότι ο Ήλιος είναι το κέντρο του Πλανητικού Συστήματος. Μάθαμε ότι η Γη είναι ένας από τους πολλούς πλανήτες γύρω από το οικείο μας άστρο, τον Ήλιο. Ακόμη, μάθαμε ότι ο Ήλιος είναι ένας από τους 250 δισεκατομμύρια αστέρες του Γαλαξία μας (Milky Way), ενός από τα δύο τρισεκατομμύρια γαλαξιών στο παρατηρήσιμο σύμπαν. Τα τελευταία χρόνια όμως γίνεται και πάλι λόγος για τη σπάνια Γη.

Aκραίο βαθύ πεδίο (XDF). Συνδυασμός από εικόνες 10 ετών του τηλεσκοπίου Hubble. Πηγή εικόνας: hubblesite.org/contents/media/images/2012/37/3098-Image.html

Η σπάνια Γη

Τις τελευταίες δεκαετίες έχουμε ανακαλύψει πλήθος πλανητών που θα μπορούσαν να φιλοξενήσουν ή να φιλοξενούν ζωή, μοντέρνα ή αρχέγονης μορφής. Μάλιστα είναι τόσο πολλοί που τους ομαδοποιήσαμε και τους ονομάζουμε Εξωπλανήτες. Με μια βόλτα στο NASA Exoplanet Archive μπορείς να τους εξερευνήσεις έναν προς έναν. Ο πιο κοντινός, ο Proxima Centauri b, απέχει από τη Γη 4.2 έτη φωτός, αλλά η τεχνολογία για να πάμε ως εκεί δεν είναι διαθέσιμη. Μέχρι όμως να την αναπτύξουμε, μπορούμε να προσπαθήσουμε να μάθουμε περισσότερα.

Αν θέλουμε λοιπόν να απαντήσουμε την ερώτηση “που μπορεί να υπάρχει ζωή;”, καλό θα ήταν να μελετήσουμε ένα ήδη γνωστό δείγμα. Τι κάνει τη δική μας σπάνια Γη κατοικήσιμη; Μήπως είναι πραγματικά τόσο σπάνια;

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΑΚΟΜΑ

Μια από τις πλέον διαδεδομένες απαντήσεις είναι η υπόθεση της Σπάνιας Γης. Ο Peter Ward, γεωλόγος και παλαιοντολόγος, και ο Donald Brownlee, αστρονόμος και αστροβιολόγος της Nasa, διατύπωσαν το 2000 την υπόθεση της Σπάνιας Γης, έναν συνδυασμό προϋποθέσεων για την γένεση της ζωής και την εξέλιξη της βιολογικής της πολυπλοκότητας. Οι προϋποθέσεις αυτές αφορούν τα μορφολογικά χαρακτηριστικά του πλανήτη και τη θέση του στο Ηλιακό Σύστημα και στον Γαλαξία.

Πλανήτης

Η τεκτονική δραστηριότητα της Γης ανανεώνει συνεχώς το έδαφος. Μεταλλικά στοιχεία αναδύθηκαν από τα εσωτερικά στρώματα και έκαναν τα εδάφη γόνιμα. Τα φυτά που ευδοκιμούν σε αυτά ανταλλάσσουν αέρια με την ατμόσφαιρα και δίνουν τροφή στα ζώα.

Στο βάθος των χρόνων, θερμά υπόγεια αέρια εξήλθαν από ηφαίστεια. Έπειτα, συμπυκνώθηκαν μαζί με ένα λεπτό στρώμα υδρογόνου και ηλίου που βρισκόταν πάνω από το έδαφος, φτιάχνοντας την ατμόσφαιρα. Συνεχείς εκρήξεις διαμόρφωσαν τη θερμοκρασία και την πυκνότητά της και την εμπλούτισαν με στοιχεία που επέτρεψαν την ύπαρξη και την εξέλιξη των πρώτων μορφών ζωής.

Πάνω από την ατμόσφαιρα, υπάρχει μια ασπίδα προστασίας του πλανήτη. Η πολικότητα των μετάλλων στον πυρήνα της Γης και η συνεχής περιστροφική της κίνηση, την καθιστούν φυσικό μαγνήτη. Το μαγνητικό της πεδίο εκτείνεται χιλιόμετρα πάνω από το έδαφος, εξέρχεται στο διάσημα και δημιουργεί τη μαγνητόσφαιρα. Ο ηλιακός άνεμος και η κοσμική ακτινοβολία που θα διέλυαν την ανώτερη ατμόσφαιρα με φορτισμένα σωματίδια, σταματούν σε αυτή την ασπίδα.

Γήινη μαγνητόσφαιρα. Πηγή εικόνας: nasa.gov/mission_pages/sunearth/multimedia/magnetosphere.html

Ηλιακό Σύστημα

Τώρα ας θυμηθούμε το παραμύθι της Χρυσομαλλούσας, του κοριτσιού που περιπλανώμενο στο δάσος βρήκε το σπίτι μιας οικογένειας αρκούδων. Η Χρυσομαλλούσα δοκίμασε τη σούπα που βρισκόταν στο ένα πιάτο, αλλά ήταν καυτή. Δοκίμασε έπειτα τη σούπα από το δεύτερο πιάτο, αλλά ήταν παγωμένη. Στο τρίτο πιάτο, η σούπα δεν ήταν ούτε καυτή, ούτε παγωμένη. Απλά τέλεια.

Κάπως έτσι μπορούμε να υπολογίσουμε και πόσο κοντά στον Ήλιο πρέπει να βρίσκεται ένας πλανήτης, ώστε να υπάρχει στην επιφάνειά του νερό σε υγρή μορφή. Πολύ κοντά στον Ήλιο θα υπήρχαν μόνο υδρατμοί. Πολύ μακριά, μόνο πάγος. Στην τέλεια απόσταση οι θερμοκρασίες επιτρέπουν τη συνύπαρξη αερίου, υγρού και στερεού νερού, δηλαδή περιέχουν το εύρος 0 – 100 βαθμών Κελσίου στην επιφάνεια του πλανήτη.

Αυτή η τέλεια απόσταση λέγεται Κατοικήσιμη Ζώνη ή ζώνη της Χρυσομαλλούσας (Goldilocks zone). Είναι μια περιοχή με πλάτος μεταξύ 0,95 και 1,70 αστρονομικών μονάδων  (η Γη απέχει μια αστρονομική μονάδα από τον Ήλιο). Σύμφωνα με άλλες εκτιμήσεις το πλάτος είναι μεγαλύτερο και, πέρα από τη Γη, περιέχονται η Αφροδίτη και ο Άρης στη ζώνη. Η κεντρική της θέση λοιπόν στην κατοικήσιμη ζώνη είναι η βάση της ονομασίας σπάνια Γη.

Αστρικό μέγεθος

Φυσικά πρέπει να σκεφτούμε και τον ρόλο του αστέρα στο εύρος και την απόσταση της κατοικήσιμης ζώνης από αυτόν. Ένας θερμός αστέρας έχει μεγαλύτερη κατοικήσιμη ζώνη, η οποία εκτείνεται πολύ πιο μακριά. Για έναν ψυχρό αστέρα η κατοικήσιμη ζώνη είναι πιο στενή και βρίσκεται πιο κοντά.

Αντίστοιχα, όταν το άστρο μεγαλώνει, αυξάνονται η φωτεινότητά του και η θερμότητα που εκπέμπει. Η κατοικήσιμη ζώνη μετατοπίζεται έτσι όλο και πιο μακριά.

Σημαντική όμως είναι και η διάρκεια παραμονής ενός πλανήτη στην κατοικήσιμη ζώνη. Αυτό εξαρτάται κυρίως από τον τύπο του οικείου του άστρου. Οι αστέρες τύπου Ο, για παράδειγμα, μένουν στην κύρια ακολουθία για σχετικά λίγα χρόνια. Διανύουν δηλαδή την περίοδο σταθερότητας πιο γρήγορα από άλλα άστρα και εξελίσσονται σύντομα και βίαια σε αστέρες νετρονίων ή μαύρες τρύπες. Σε αυτούς η κατοικήσιμη ζώνη μεταβάλλεται πάρα πολύ γρήγορα, οπότε οι πλανήτες δεν έχουν τη διαρκή σταθερότητα που χρειάζεται για να αναπτυχθεί ζωή. Αντίθετα, οι ερυθροί νάνοι έχουν τεράστια διάρκεια ζωής, είναι άρα ιδανικοί για να φιλοξενήσουν ζωή στους κατοικήσιμους πλανήτες τους. Αποτελούν επίσης την πλειοψηφία των αστέρων του Γαλαξία.

Γαλαξίας

Μια παρόμοια ιδέα υποστηρίζουν κάποιοι επιστήμονες για τη θέση του Ηλιακού Συστήματος στον Γαλαξία. Η γαλαξιακή κατοικήσιμη ζώνη καθορίζεται κυρίως από την ύπαρξη βαρύτερων στοιχείων και τη συχνότητα καταστροφικών γεγονότων στην περιοχή αυτή.

Μια γαλαξιακή περιοχή, με αφθονία σε στοιχεία βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο, είναι πιο πιθανό να φιλοξενεί κατοικήσιμα πλανητικά συστήματα.  Τέτοια στοιχεία είναι ο άνθρακας, το άζωτο, το οξυγόνο και το νέον. Η αφθονία τους σημαίνει συνήθως την ύπαρξη βραχωδών πλανητών γύρω από τους αστέρες.

Υπάρχουν επίσης περιοχές του Γαλαξία όπου συμβαίνουν πολύ συχνά καταστροφικά φαινόμενα. Για παράδειγμα, μια έκρηξη υπερκαινοφανούς αστέρα (supernova) θα μπορούσε να καταστρέψει κατοικήσιμους πλανήτες, που θα είχαν σε άλλη περίπτωση άπλετο χρόνο να αναπτύξουν ζωή.

Τελικά ζούμε σε μια σπάνια Γη;

Πρέπει να σημειώσουμε πως το δικό μας πλανητικό σύστημα διαφέρει πολύ από τα υπόλοιπα. Κυρίως συναντάμε πλανήτες που έχουν παρόμοια δομή και μέγεθος και απέχουν περίπου το ίδιο μεταξύ τους. Στο δικό μας υπάρχουν πλανήτες με διαφορετικά μεγέθη και αποστάσεις. Από τον Ερμή, που μοιάζει με τη Σελήνη, μέχρι το Δία, τον μεγάλο αέριο γίγαντα. Αυτή η ιδιαιτερότητα όμως μπορεί να έχει κάνει τη διαφορά στην περίπτωσή μας.

Αστεροειδείς και κομήτες που περνούν από τη γειτονιά μας, θα μπορούσαν να έχουν σταματήσει την εξελικτική διαδικασία. Κάπως έτσι εξαφανίστηκαν και οι δεινόσαυροι. Στα χρόνια όμως που έχουμε τη δυνατότητα αστρονομικής παρατήρησης, διακρίναμε τον πολύτιμο ρόλο του Δία, ο οποίος σταμάτησε πολλές πιθανές καταστροφές απορροφώντας αστρικά σώματα. Συγκεκριμένα, ο Δίας δέχεται επισκέψεις από αστεροειδείς και κομήτες 2 με 8 χιλιάδες φορές πιο συχνά απ’ ό,τι η Γη.

Σύγκρουση του Δία με τον κομήτη Shoemaker-Levy 9. Υπέρυθρο τηλεσκόπιο NSFCAM. Πηγή εικόνας: nasa.gov

Παρόμοιο ρόλο παίζει και η Σελήνη. Κατά βάση όμως σταθεροποιεί τη γήινη τροχιά κατά την περιφορά της Γης γύρω από τον Ήλιο.

Είναι λοιπόν η Γη τόσο σπάνιος πλανήτης; Το Ηλιακό Σύστημα βρίσκεται στην κατοικήσιμη περιοχή του Γαλαξία και η Γη βρίσκεται στην καρδιά της κατοικήσιμης ζώνης του Ήλιου.

Φυσικά η σημαντικότερη παράμετρος από όλες είναι ο χρόνος. Η ζωή στη Γη ξεκίνησε την κατάλληλη στιγμή ώστε να υπάρξει άπλετος χρόνος για την δισεκατομμυρίων ετών εξέλιξή της που μας έφερε στο σήμερα. Είναι πιθανό σε άλλους πλανήτες η ζωή να σταμάτησε όταν το οικείο τους άστρο κατάπιε τα πάντα γύρω του με μια έκρηξη. Μπορεί και να χρειάζονται πολλά χρόνια ακόμη για να εμφανιστεί το πρώτο κύτταρο στον ωκεανό ενός μακρινού πλανήτη. Μπορεί βέβαια και να υπάρχουν πλήρως εξελιγμένοι οργανισμοί στην άλλη άκρη του Γαλαξία, ή στη γειτονική Ανδρομέδα. Τα ενδεχόμενα είναι άπειρα.

 

Βιβλιογραφία:

Wilcox, C. (2012). Evolution: Out Of The Sea. Αναρτήθηκε από https://blogs.scientificamerican.com/science-sushi/evolution-out-of-the-sea/ (τελευταία πρόσβαση 27.7.2020)

Krishna, S. (2020). What Is the Habitable Zone? Αναρτήθηκε από https://www.planetary.org/articles/what-is-the-habitable-zone/ (τελευταία πρόσβαση 27.7.2020)

Ποια είναι η υπόθεση της σπάνιας Γης; (2017).  Αναρτήθηκε από https://astro.planitario.gr/stoixeia-astronomias-erotisi-52/ (τελευταία πρόσβαση 27.7.2020)


Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Πετρούλα Καρακώστα

Είμαι απόφοιτη του Τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Βλέπω την αρθρογραφία σαν μια ευκαιρία για να ενημερωθώ για καινούργια θέματα και να τα μοιραστώ με τους αναγνώστες.

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;