Astronómia zažíva svoje zlaté obdobie. Jednou z príčin je úžasný technický pokrok, vďaka ktorému sa otvorili dvere celkom novej oblasti, o ktorej sa astronómom dlho len snívalo – k objavom extrasolárnych planét. V súčasnosti (august 2009) ich poznáme už vyše 370. Môže sa na nich vyskytovať život? Aké podmienky musia byť splnené, aby hviezdny systém mohol byť hostiteľom života, kde presne a okolo akých hviezd máme očakávať a hľadať jeho prítomnosť? Tento článok popisuje širšie vedecké pozadie súvisiace s projektom MilkyWay@home, ktorý si kladie za cieľ simuláciu a vytvorenie modelu nášho hviezdneho ostrova, čo má následne dopady na existenciu a prípadné hľadanie života na iných planétach.

Zdroj: NASA

Zraniteľná planéta

Pozrime sa najskôr na Galaxiu ako celok - pojem galaktická obývateľná zóna označuje oblasť, kde sa môžu vyskytovať hviezdy, okolo ktorých môžu obiehať planéty s rozvinutým životom. Záleží vôbec na tom kde sa hviezda v Galaxii nachádza?  Odpoveď je jednoznačná – áno, a to dokonca výrazne. Hneď si vysvetlíme prečo. Existujú tri hlavné príčiny veľkých vymieraní na Zemi: zvýšená sopečná činnosť, dopady asteroidov alebo komét a záblesky gama žiarenia z vesmíru (tzv. GRB – Gamma Ray Bursts).
Aj keď prvá príčina má zdanlivo výlučne pozemský pôvod, predsa len môže čiastočne súvisieť s príčinou druhou - dopady nebeských telies môžu totiž narušiť zemskú kôru či už v mieste dopadu prípadne aj na inom mieste, kde sa seizmické vlny môžu sústrediť a spôsobiť tak zvýšenú sopečnú aktivitu.

Dopady asteroidov a komét už preukázateľne spôsobili alebo prinajmenšom boli hlavnou príčinou napr. známeho vymretia dinosaurov (pozostatkom katastrofy je 170 km kráter Chicxulub). Sú spôsobené najmä tým, že do stredu slnečnej sústavy sa dostanú telesá z tzv. Oortovho oblaku na jej periférii, ktorý obsahuje niekoľko miliárd kometárnych jadier a existuje od počiatkov slnečnej sústavy. Ak dôjde k narušeniu ich dráh (napr. vplyvom výbuchu blízkej supernovy, blízkeho priblíženia sa inej hviezdy k Slnku alebo prechodom Slnka cez hustejšie medzihviezdne mračno prachu a plynu) na cestu bližšie k Slnku sa vydajú tisíce a tisíce nových komét, z ktorých niektorá (postačuje i jedna) môže zatriasť evolúciou života na Zemi.

Zdroj: Don Davis

O GRB vzplanutiach stručne len toľko, že ide o extrémne silné a krátkotrvajúce záblesky nebezpečného gama žiarenia. Existujú dva druhy – záblesky trvajúce niekoľko sekúnd vznikajú pri výbuchu supernovy  a druhý typ trvajúci len zlomky sekundy vzniká pri splynutí dvoch neutrónových hviezd a vzniku čiernej diery. Oba tieto druhy, ak sa vyskytnú príliš blízko Zeme, spôsobia podľa najnovších počítačových simulácií rýchle zničenie ozónovej vrstvy Zeme na niekoľko rokov a teda stratu ochrany povrchu Zeme pred UV žiarením a následne veľké vymieranie rastlín a živočíchov (vrátane planktónu v mori).

Kde hľadať?

Ak chceme nájsť život vo vesmíre, musíme hľadať hviezdy, ktoré mali dostatok času na to, aby sa na ich planétach vyvinul a udržal život tak ako na Zemi. Také sa nachádzajú v oblastiach Galaxie, kde nie je veľká hustota hviezd a medzihviezdnych mračien, ktoré by uvoľňovali kométy z oblakov obklopujúcich hviezdy (podobných Oortovmu oblaku okolo Slnka) a kde je aj malá hrozba blízkeho výbuchu supernov (a smrtiacich GRB). Existujú však ešte ďalšie podmienky. Rané hviezdy vo vesmíre vznikli len z vodíku a hélia – dvoch najľahších prvkov, z ktorých sa skladal vesmír na počiatku jeho vzniku (s veľmi malou prímesou lítia). Až postupom času začali vo hviezdach vďaka termonukleárnym reakciám vznikať ťažšie prvky (uhlík, kyslík, železo), z ktorých sú zložené planéty pozemského typu a aj živé organizmy. Bez ťažších prvkov nie je možný vznik takých planét ani života.

Na počiatku vesmíru teda život nemohol vzniknúť, musel si „chvíľu“ počkať kým prvé hviezdy vyrobia ťažšie prvky, vybuchnú ako supernovy, obohatia priestor o tieto prvky a z nich sa potom sformujú nové hviezdy so svojimi planétami. Prakticky všetky prvky na našej planéte (okrem spomínaných najľahších) vrátane nášho tela boli vyrobené v termonukleárnom kotli dávno mŕtvych hviezd. Koncentrácia prvkov však nesmie byť priveľká, pretože v takom prípade by naopak boli protoplanetárne disky okolo hviezd priveľmi hmotné, vyskytovalo by sa v nich teda príliš veľké množstvo asteroidov a komét.

Galaxia v počítači

Nedávno uskutočnili vedci veľmi zaujímavé počítačové simulácie^[1], do ktorých zahrnuli všetky spomínané podmienky (výsledky sú na obr. 1). Na ľavom paneli spodná os reprezentuje vzdialenosť od stredu našej Galaxie vyjadrenú v kiloparsekoch (kpc), pričom jeden parsek je vzdialenosť, z ktorej by sme Slnko a Zem videli vzdialené jednu oblúkovú sekundu, čo zodpovedá vzdialenosti asi 3.26 svetelného roka. Zvislá os ukazuje čas do minulosti (úplne navrchu je súčasnosť, na spodku je vznik Galaxie). Načervenalé oblasti zodpovedajú oblastiam v Galaxii, ktoré v konkrétnom čase jej vývoja boli vystavené príliš častým explóziám supernov (supernovy vybuchovali najčastejšie v strede Galaxie, pretože tam je najväčšia hustota hviezd, a na začiatku existencie Galaxie, pretože sa vo vesmíre ešte vyskytovalo veľmi málo ťažkých prvkov a preto vznikali veľmi hmotné hviezdy, ktoré veľmi rýchlo a často explodovali ako supernovy). Namodralé časti grafu zodpovedajú oblastiam v priestore a čase, kde bol nedostatok ťažších prvkov na tvorbu planét rozumnej veľkosti (na počiatku tvorila táto oblasť väčšinu Galaxie, postupom času však s pribúdajúcimi explóziami supernov sa oblasť zúžila na vonkajšie časti Galaxie s príliš malou hustotou hviezd). Sivé oblasti označujú miesta v Galaxii, kde pre nedostatok času na vývoj nie je možný výskyt rozvinutého života. Tmavomodrou farbou v ľavej hornej časti grafu je označená oblasť, kde je už zastúpenie ťažkých prvkov veľmi vysoké. Dve biele krivky označujú sumárnu pravdepodobnosť výskytu života na danej planéte - vnútorná krivka ohraničuje oblasť s pravdepodobnosťou väčšou než 95%, vonkajšia s väčšou než 68%. A nakoniec zelená krivka vpravo označuje zosumarizovanú pravdepodobnosť výskytu inteligentného života v čase.

Obr. 1: Výsledok počítačovej simulácie vyznačujúci oblasť umožňujúcu existenciu rozvinutého života (vľavo), resp. života v akomkoľvek štádiu vývoja (vpravo). Pre popis obrázku viď text.
Zdroj: referencia ^[1]

Ako vidieť, tri spomenuté podmienky kladú pomerne výrazné obmedzenia na oblasť, v ktorej sa môže vyskytovať rozvinutý život. Zelená oblasť označuje práve túto zónu života, žltý bod je naše Slnko. Ak teda chceme zvýšiť pravdepodobnosť nájdenia inteligentného života okolo iných hviezd, mali by sme sa sústrediť predovšetkým na hviezdy staré 4 až 8 miliárd rokov, nachádzajúce sa asi 5 – 11 tisíc parsekov od centra Galaxie.

Kde hľadať nielen inteligentný, ale akýkoľvek život ? Odpoveď nájdete v pravej časti obr. 1. Popis je totožný s popisom pre ľavú časť, s tým rozdielom, že nie je žiadne obmedzenie na vek hviezdy, keďže nás zaujíma výskyt života v akomkoľvek štádiu rozvoja. Možno sa pýtate, ako taký život vôbec možno na diaľku nájsť? Pomerne jednoducho: akýkoľvek život pozemského typu sa  bude prejavovať charakteristickým zložením atmosféry materskej planéty, ktoré môžeme detegovať pomocou spektrometrov. Najväčšia pravdepodobnosť výskytu života je okolo hviezd starých asi 2 až 4 miliardy rokov a vzdialených od centra Galaxie  6 až 7-tisíc kpc, avšak vyskytovať sa môže v podstatne širšom rozmedzí. Po vytýčení vhodných oblastí Galaxie bude namiesto stoviek miliárd hviezd  stačiť študovať o niekoľko rádov hviezd menej.

Názornejšie zobrazenie vývoja obývateľnej zóny v Galaxii môžete vidieť aj na nasledujúcom obrázku, kde sú zobrazené tri momentky z vývoja nášho hviezdneho ostrova (farby zodpovedajú predchádzajúcemu popisu).

Obr. 2: Pohľad na našu Galaxiu v troch rôznych vývojových štádiách. Pre bližší popis viď text.
Zdroj: referencia ^[1]

Nie je hviezda ako hviezda 

Aké podmienky musí na rozvoj  života  splniť hviezda sama? Nesmie byť fyzicky premennou hviezdou, to znamená že jej svietivý výkon musí byť relatívne stabilný, aby nedochádzalo k prudkým zmenám a striedavému spaľovaniu, resp. zmrznutiu života (už aj niekoľkopercentný rozdiel vo výkone hviezdy má ďalekosiahle následky pre obiehajúce planéty). Takých hviezd je pomerne veľa, pričom ich spoločnou črtou je, že sa nachádzajú v stabilnej fáze svojho života, pokojne spaľujú vodík na hélium. Z astrofyzikálneho hľadiska sa také hviezdy nachádzajú na tzv. hlavnej postupnosti v Herzsprungovom-Russellovom diagrame (je to jeden z najznámejších diagramov v astrofyzike zobrazujúci závislosť povrchovej teploty hviezd od ich svietivosti. Jeho hlavná výnimočnosť spočíva v tom, že hviezda sa počas svojho života po tomto diagrame pohybuje, pričom jej dráha závisí ešte aj od jej hmotnosti. Z polohy hviezdy na diagrame dokážeme teda určiť jej životné štádium, hmotnosť a približný budúci osud).

Po druhé, hviezdna obývateľná zóna závisí od celkového výkonu materskej hviezdy – čím je hviezda svietivejšia, tým ďalej sa zóna života okolo nej rozprestiera. Rozsah takej zóny je daný hlavnou podmienkou, aby v tejto oblasti mohla na planéte existovať voda v tekutom skupenstve –  nevyhnutný predpoklad vzniku a rozvoja života pozemského typu. V prvom priblížení sa teda rozsah zóny dá jednoducho vypočítať z výkonu hviezdy a zodpovedajúcej efektívnej teploty prostredia v istej vzdialenosti, ktorá musí byť v rozsahu 0 – 100 °C. Na základe takého výpočtu sa napr. obývateľná zóna v slnečnej sústave rozprestiera od 0,7- až po 1,5-násobok vzdialenosti Zeme od Slnka. Avšak výskyt tekutej vody na povrchu planéty a teda aj rozsah obývateľnej zóny závisí nielen od výkonu hviezdy, ale aj  planéty samej – najmä jej veľkosti, hustoty a zloženia atmosféry. Atmosféra napr. vďaka skleníkovému efektu (najsilnejšími skleníkovými plynmi sú vodná para, metán a CO2) dokáže udržať dostatočnú teplotu na planéte, aj keď sa nachádza relatívne ďalej od materskej hviezdy.

Zdravá hmotnosť

Veľkosť planéty a teda aj atmosféry nemôže byť ľubovoľná, pretože príliš malá planéta si nedokáže udržať dostatočne hrubú atmosféru a v neposlednom rade rýchlo vychladne. Následkom je zastavenie rotácie tekutého jadra voči zvyšku planéty, následné vymiznutie ochranného magnetického poľa generovaného práve rotujúcim jadrom a vystavenie života na planéte dlhodobému pôsobeniu smrteľného kozmického žiarenia  (v tejto súvislosti je zaujímavou skutočnosťou fakt, že naša Zem by už vychladla a dynamový efekt tvorby magnetického poľa by zanikol, nebyť prirodzeného rádioaktívneho rozpadu prvkov, najmä uránu a tória. Prirodzenej rádioaktivite Zeme teda vďačíme za to, že sme stále chránení pred kozmickým rádioaktívnym žiarením).

Príliš ťažká planéta zasa má takú veľkú gravitáciu, že takmer všetky ťažké rádioaktívne prvky z jej kôry klesnú do jadra a atmosféra bude veľmi hrubá (úplne tlmiaca vplyv kozmického žiarenia). Dôsledkom bude takmer úplná absencia prirodzenej rádioaktivity na povrchu planéty, teda aj nízka pravdepodobnosť výskytu mutácií, ktoré sú hybnou silou evolúcie. Ak by  na veľmi ťažkej planéte aj život vznikol, potreboval by extrémne dlhý čas na to, aby sa posunul vo vývoji.  Pre naozaj veľmi hmotné planéty je navyše pravdepodobné, že počas svojho vzniku nazhromaždia toľko plynov z protoplanetárneho disku, že ich rast sa prudko urýchli a vzniknú obrie plynné planéty typu Jupiter.

Veľmi dôležitá je aj skutočnosť, že aj stabilné hviezdy na hlavnej postupnosti postupom dlhého času menia výkon – napr. naše Slnko momentálne vyžaruje asi o 30 % viac žiarenia ako pri svojom vzniku (pred 4 miliardami rokmi bola aj Venuša vnútri obývateľnej zóny a o niekoľko miliárd rokov sa zase do zóny dostane Mars.) Keďže však planéta svoju vzdialenosť od materskej hviezdy prakticky nemení, dlhodobo obývateľná zóna sa tak ďalej zúži na ešte tenší pás.

Všetky tieto úvahy teda kladú kritériá aj na rozumnú vzdialenosť a šírku obývateľnej zóny okolo hviezd. Ako vyzerá sumarizácia? Vidieť ju na obr. 3. Vyplýva z neho prirodzený záver, že čím je hviezda hmotnejšia, tým má vyššiu povrchovú teplotu a výkon, a tým ďalej sa okolo nej rozprestiera zóna života. Pritom však šírka zóny zostáva porovnateľná.

Obr. 3: Vzdialenosť a šírka obývateľnej zóny v závislosti na hmotnosti materskej hviezdy v porovnaní so s slnečnou sústavou. Zvislá os predstavuje hmotnosť hviezdy v násobkoch hmotnosti Slnka, na vodorovnej osi je vynesená vzdialenosť od hviezdy v násobkoch vzdialenosti Zem-Slnko
Zdroj: library.thinkquest.org

Červení trpaslíci

Pri hviezdach hmotnejších než dve hmotnosti Slnka nemá význam zaoberať sa obývateľnou zónou, pretože doba ich existencie je príliš krátka na rozvoj života. Na rozvoj života sú vhodné planetárne systémy hviezd slnečného typu. Malé hviezdy – červené trpaslíky – tvoria asi 90 % všetkých hviezd v Galaxii a vďaka malej hmotnosti a centrálnej teplote (a následne červenej farbe povrchových vrstiev) sú veľmi šetrné v spaľovaní vodíka. Vďaka tomu žijú až desiatky miliárd rokov (dlhšie ako je súčasný vek vesmíru). To ich stavia do pozície veľmi vhodných hostiteľov života.

Majú však aj závažné nedostatky. Tým je práve nízka svietivosť. Poviete si – to nevadí,  vhodná planéta predsa môže byť bližšie k hviezde. Práve to však spôsobuje dva problémy. Prvým je skutočnosť, že každá, aj stabilná hviezda ako Slnko, má občasné výbuchy plazmy na svojom povrchu, tzv. protuberancie. Ich intenzita je porovnateľná u väčšiny hviezd, ale zatiaľ čo Slnko je vcelku svietivá hviezda a protuberancie spôsobujú len nepatrné krátkodobé zvýšenie energie dopadajúcej na Zem (pričom už aj to môže spôsobiť magnetické búrky a poruchy satelitov), pri červenom trpaslíkovi, ktorého výkon je až 10-tisíckrát menší než výkon Slnka, taká protuberancia môže spôsobiť až niekoľkonásobný nárast energie dopadajúcej na planétu v jeho obývateľnej zóne. To je tvrdý oriešok pre potenciálny život. Avšak za miliardy rokov by sa evolučne mohol vedieť prispôsobiť (napr. masívnou povrchovou ochranou – pancierom, či životom pod povrchom). Druhý problém však predstavuje fakt, že ak sa planéta nachádza blízko materskej hviezdy, jej rotácia okolo vlastnej osi sa v priebehu krátkeho obdobia vplyvom slapových síl  pribrzdí až zostane počas obehu privrátená k hviezde tou istou stranou (podobne ako náš Mesiac je privrátený stále tou istou stranou k Zemi) a dôjde k tzv. viazanej rotácii. To spôsobí „vymrznutie“ a stratu atmosféry. Jediná možnosť ako tomu predísť je, že atmosféra bude dostatočne masívna, aby dokázala presúvať dostatočné množstvo tepla aj na odvrátenú stranu. V slnečnej sústave má podobnú atmosféru Venuša (je až 100-krát hmotnejšia v porovnaní s pozemskou, a ohromný skleníkový efekt, ktorý vytvára, spôsobuje rovnomernú a stabilnú teplotu celého povrchu asi 460 °C nezávisle od polohy a dennej či ročnej doby). Keďže je však červených trpaslíkov omnoho viac ako hviezd slnečného typu,  nemožno tieto hviezdy celkom vylúčiť ako potenciálnych hostiteľov života.   

Obr. 4: Slnečná protuberancia.
Zdroj: NASA

Zlatý vek astronómie

Môžeme sa tešiť na nasledujúce obdobie a na pripravované veľké ďalekohľady pátrajúce po planétach pozemského typu umiestnené vo vesmíre (napr. projekty Darwin^[2] či TPF^[3]). Istotne ešte vzrušujúcejšie budú aj ďalšie budúce projekty umožnené rozvojom kozmonautiky. Výsledky pozorovaní z citlivých a veľkých ďalekohľadov na obežných dráhach nám bezpochyby prinesú nejedno prekvapenie. Akokoľvek neuveriteľne to pri pohľade na súčasné úžasné objavy znie – skutočný zlatý vek astronómie nás ešte len čaká.

Autor: Juraj Kotulič Bunta, Ph.D

(článok je upravenou podobou pôvodného článku publikovaného v časopise 21.Století)

Najznámejším červeným trpaslíkom je najbližšia hviezda Proxima Centauri. Ide o umeleckú predstavu jej hypotetickej planéty.
Zdroj: David Hardy, novaspace.com

Referencie:

Príloha:

Planéty sa vysktytujú aj na miestach, kde by ich žiaden astronóm ešte pred krátkym časom vôbec nehľadal. Pravdepodobne najexotickejšími sú planéty objavené okolo neutrónových hviezd (čiže neuveriteľne hustých pozostatkov po výbuchu supernovy, ktorá pôvodnú hviezdu roztrhala na kusy. Z týchto zvyškov sa následne sformovali tieto planéty. Avšak z hľadiska hľadania života nemajú pre nás takéto planéty žiadnu hodnotu - kvôli zničujúcej a extrémnej radiácii z neutrónovej hviezdy sú totiž absolútne sterilizované. Keď však už hovoríme o hodnote... Po výbuchu supernovy sa v jej okolí nachádza veľké množstvo uhlíka, pretože je to jeden z hlavných produktov nukleárnej syntézy. Planéty sa teda skladajú v veľkej časti práve z tohto prvku, a keďže sa tam nachádza pod veľkým tlakom, obsahujú mnoho kilometrov hrubé vrstvy z diamantu! Podobné diamantové planéty sa pravdepodobne vyskytujú aj v centrálnych častiach Galaxie okolo normálnych hviezd, keďže tam je taktiež veľká koncentrácia ťažkých prvkov.  Na obrázku vidíte predstavu takejto planéty z dielne NASA - vejárovité štruktúry spojené s hviezdou je žiarenie spôsobené vysokoenergetickými časticami urýchľovanými magnetickým a gravitačným poľom neutrónovej hviezdy. Kruhové "oblačné" štruktúry okolo severného pólu planéty sú analógiou k pozemskej polárnej žiare - avšak s nepredstaviteľne vyššou intenzitou, ktorá spoľahlivo zničí všetky zložitejšie molekulárne štruktúry nevyhnutné pre rozvoj akéhokoľvek života. 

Zdroj: NASA