Έφτιαξα ένα σταθερό πλανητικό σύστημα με 416 πλανήτες στην κατοικήσιμη ζώνη

Όταν ο Φρανκ Ντρέικ ήταν αγόρι, μεγαλώνοντας στη δεκαετία του 1930 στο Σικάγο, οι γονείς του, παρατηρητικοί Βαπτιστές, τον έγραψαν στο Κυριακάτικο Σχολείο. Όταν ήταν 8 ετών, υποπτευόταν ότι η θρησκεία του, και άλλοι σε όλο τον κόσμο, ήταν, σε κάποιο βαθμό, περιβαλλοντικά καθορισμένοι - τα τοπικά τυχαία γεγονότα βοήθησαν στη διαμόρφωση τους. Άρχισε να σκέφτεται ότι το ίδιο θα μπορούσε να ισχύει και για τον πολιτισμό, για τους ανθρώπους και, ίσως, τους εξωγήινους επίσης — αλλά σκέφτηκε καλύτερα να κρατήσει αυτές τις σκέψεις για τον εαυτό του.

Αλλά όχι για πολύ:Θα συνέχιζε να ιδρύει το S.E.T.I., την Αναζήτηση για Εξωγήινη Νοημοσύνη, και δημιούργησε έναν απλό τρόπο εκτίμησης του αριθμού των πολιτισμών στον γαλαξία μας που θα μπορούσαμε να ελπίζουμε να ακούσουμε. Είναι μια εξίσωση που μοιάζει με αυτό:

N (ο αριθμός των μεταδιδόμενων πολιτισμών στον Γαλαξία μας)

=R (ο ρυθμός με τον οποίο σχηματίζονται τα αστέρια)

× N_Γη (το κλάσμα των αστεριών με πλανήτες μεγέθους Γης σε τροχιές που μοιάζουν με τη Γη)

× F_Ζωή (το κλάσμα των πλανητών που αναπτύσσουν ζωή)

× F_{Νοημοσύνη} (το κλάσμα με ευφυή ζωή)

× F_{Επικοινωνία} (κλάσμα που μπορεί να επικοινωνήσει)

× L (η διάρκεια ζωής του μέσου πολιτισμού)

Εν ολίγοις, N =R × N_Γη × F_Ζωή × F_{Νοημοσύνη} × F_{Επικοινωνία} × L. Για να προσδιορίσουμε την τιμή του N, πρέπει απλώς να γνωρίζουμε τους άλλους αριθμούς.

Γνωρίζουμε ότι ο Γαλαξίας δημιουργεί μερικά νέα αστέρια το χρόνο, οπότε το R φροντίζεται - αλλά μέχρι εκεί. Δεν έχουμε ιδέα πόσο κοινή είναι η ζωή, η ευφυΐα ή η ικανότητα επικοινωνίας. Και ενώ μπορεί όλοι να επιδιώκουμε να είναι πολύ μεγάλη η διάρκεια ζωής του μέσου πολιτισμού, δεν έχουμε δεδομένα.

Αλλά σημειώνουμε πρόοδο στη N_Γη (ονομάζεται επίσης «Eta-Earth»). Ο πρώτος πλανήτης στο μέγεθος της Γης που περιστρέφεται γύρω από έναν άλλο ήλιο ανακαλύφθηκε το 2010. Χάρη σε μεγάλο βαθμό στο διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler της NASA, γνωρίζουμε τώρα εκατοντάδες κόσμους στο μέγεθος της Γης και μια χούφτα τόσο μικρού όσο ο Άρης και ο Ερμής.

Η κύρια αποστολή του Κέπλερ ήταν να προσδιορίσει την αφθονία μεγέθους της γης πλανήτες που περιφέρονται σε τροχιά όμοια με τη Γη αποστάσεις γύρω από Ήλιος αστέρια. Αυτή είναι απλώς η N_Γη για αστέρια σαν τον ήλιο μας. Αλλά η Ν_Γη μπορεί να διαφέρει για διαφορετικούς τύπους αστεριών. Δυστυχώς, μέχρι το 2013, ο Κέπλερ έχασε δύο τροχούς αντίδρασης -απαραίτητες για την κατάδειξη του τηλεσκοπίου- και έπρεπε να εγκαταλείψει την κύρια αποστολή του αφού απέκτησε δεδομένα περίπου τεσσάρων ετών. Ο Κέπλερ έχει καλά στατιστικά στοιχεία για πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από ήλιους σε τροχιές που μοιάζουν με τον Ερμή αλλά όχι σαν τη Γη. Μπαμμερ. (Πριν από μερικά χρόνια ο Κέπλερ μετενσαρκώθηκε σε μια νέα λειτουργία που ονομάζεται K2, βρίσκοντας ακόμα πλανήτες αλλά χωρίς ελπίδα μέτρησης της N_Γης .)

Η κατοικήσιμη ζώνη είναι ο δακτύλιος γύρω από ένα αστέρι όπου οι συνθήκες είναι κατάλληλες για την ύπαρξη υγρού νερού στην επιφάνεια ενός πλανήτη. Αυτοί είναι οι πλανήτες που καταμετρώνται στη Ν_Γη . Αλλά διαφορετικά αστέρια έχουν διαφορετικές κατοικήσιμες ζώνες:Αυτά των άστρων κόκκινου νάνου, πιο ψυχρά και πιο αχνά από τον ήλιο μας, είναι πολύ πιο κοντά. και αυτά των φωτεινότερων, πιο καυτών αστεριών είναι πιο μακριά. Ο Κέπλερ πέτυχε να εκτιμήσει τη N_Γη για αστέρια κόκκινου νάνου αφού, για αυτά τα αστέρια, η μέτρηση των τροχιών μεγέθους του Ερμή λειτουργεί αρκετά καλά:τουλάχιστον το ένα έκτο των ερυθρών νάνων αστεριών - και μέχρι το μισό - έχει έναν πλανήτη στο μέγεθος της Γης στην κατοικήσιμη ζώνη. Όχι πολύ άθλιοι, κόκκινοι νάνοι!

Πέρυσι, οι αστρονόμοι ανακοίνωσαν την ανακάλυψη του θεαματικού συστήματος 7 πλανητών TRAPPIST-1. Το κεντρικό του αστέρι είναι ασήμαντο, μόλις 8 τοις εκατό της μάζας του ήλιου μας, 2.000 φορές πιο αχνό και περίπου στο μέγεθος του Δία. Και οι επτά πλανήτες έχουν περίπου το μέγεθος της Γης και περιφέρονται πολύ κοντά στο άστρο τους. Το πιο συναρπαστικό είναι ότι τουλάχιστον τρεις (και ίσως έως τέσσερις ή πέντε) ζουν στην κατοικήσιμη ζώνη του άστρου—αν όλα τα αστέρια είχαν πλανητικά συστήματα όπως το TRAPPIST-1, το N_Earth θα ήταν 3. Μια άλλη ανατροπή είναι ότι, στο σύστημα TRAPPIST-1, η ζωή —αν υπάρχει— μπορεί φυσικά να εξαπλωθεί μεταξύ των πλανητών:Η συμπαγής τροχιακή διάταξη είναι κατάλληλη για την πανσπερμία. Εάν ένας αστεροειδής ή ένας κομήτης χτυπήσει οποιονδήποτε από τους πιθανώς ζωοφόρους πλανήτες TRAPPIST-1, μερικά από τα συντρίμμια θα σκορπίσουν στους έξι, ρίχνοντας βροχή σπόρους που γεννήθηκαν στο διάστημα.

Είναι αξιοσημείωτο να φανταστούμε τη N_Γη είναι μεγαλύτερο από ένα. Μπορεί να σας κάνει να αναρωτηθείτε:Θα μπορούσαν να υπάρχουν συστήματα super-TRAPPIST-1 εκεί έξω με όχι τρεις ή τέσσερις, αλλά 10 ή 20 πλανήτες στην κατοικήσιμη ζώνη; Ποιοι είναι οι περισσότεροι πλανήτες που μπορεί να έχει ένα αστέρι εκεί; Μπορούμε να απαντήσουμε με ακρίβεια σε αυτό το ερώτημα. Εφόσον γνωρίζουμε πώς λειτουργεί η βαρύτητα και πώς εξελίσσονται οι τροχιές, έχουμε τα εργαλεία που χρειαζόμαστε για να καταλάβουμε την πιο σαρδέλα διαμόρφωση των πλανητών που μπορούν να χωρέσουν σταθερά στην κατοικήσιμη ζώνη ενός αστεριού.

Πρέπει να επιλέξουμε τι είδους αστέρι θέλουμε (δεν έχει μεγάλη σημασία) και τι μέγεθος πλανήτες μας ενδιαφέρουν. Στη συνέχεια, μπορούμε να χωρίσουμε το πρόβλημα σε δύο ερωτήσεις:Πρώτον, πόσο ευρεία είναι η κατοικήσιμη ζώνη; Δεύτερον, πόσο σφιχτά μπορούμε να συσκευάσουμε τις πλανητικές τροχιές;

Η κατοικήσιμη ζώνη είναι πολύ πιο περίπλοκη από ό,τι συνήθως συζητείται. Εξαρτάται από το τι αποτελείται ένας πλανήτης και το πάχος και τη σύνθεση της ατμόσφαιράς του. Σύμφωνα με μοντέλα, η Γη βρίσκεται κοντά στο εσωτερικό άκρο της κατοικήσιμης ζώνης του ήλιου, η οποία εκτείνεται από το 95 τοις εκατό της τροχιάς της Γης πέρα ​​από την τροχιά του Άρη (που σημαίνει ότι η Γη, στην τροχιά του Άρη, θα μπορούσε να διατηρήσει το υγρό νερό της)! Με μια ισχυρή ατμόσφαιρα που συγκρατεί τη θερμότητα, το εξωτερικό άκρο της κατοικήσιμης ζώνης μπορεί να είναι πολύ πιο μακριά και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη και πλανήτες που επιπλέουν ελεύθερα στο διαστρικό διάστημα θα μπορούσαν να διατηρούν υγρό νερό. Ωστόσο, σε αυτές τις περιπτώσεις η ζωή θα κρυβόταν κάτω από ένα τόσο παχύ στρώμα αερίου (ή πάγου) που πιθανότατα δεν θα μπορούσαμε να το εντοπίσουμε.

Οι τροχιές των πλανητών μπορούν να χωριστούν με δύο διαφορετικούς τρόπους. Οι τροχιές των γειτονικών πλανητών μπορεί να είναι συντονισμένες, όπως συμβαίνει με τους πλανήτες TRAPPIST-1, μια χούφτα άλλα γνωστά συστήματα και τα πλησιέστερα μεγάλα φεγγάρια του Δία. Ή οι πλανήτες μπορεί να είναι εκτός συντονισμού, όπως συμβαίνει για τα περισσότερα από τα γνωστά συστήματα υπερ-Γαιών και των δικών μας πλανητών ηλιακού συστήματος. Συντονισμός σημαίνει απλώς ότι οι τροχιές των γειτονικών πλανητών ευθυγραμμίζονται ξανά περιοδικά. Οι συντονισμοί περιγράφονται από έναν λόγο ακεραίων. Για παράδειγμα, ένας συντονισμός 2:1 σημαίνει ότι κάθε φορά που ο εξωτερικός πλανήτης ολοκληρώνει μια τροχιά, ο εσωτερικός έχει ολοκληρώσει δύο.

Υπάρχει ένα ωραίο κινούμενο gif των φεγγαριών του Δία σε απήχηση εδώ. Πλανήτες που απέχουν μεταξύ τους συντονισμούς καθιστούν τις μάζες τους άσχετες. Η απόσταση καθορίζεται απλώς από τους συντονισμούς στους οποίους βρίσκονται οι πλανήτες. Συντονισμοί όπως 2:1 και 3:2 συνεπάγονται πιο ευρεία απόσταση από τους συντονισμούς όπως 7:6 ή 9:8. Φυσικά, δεν είναι όλοι οι συντονισμοί σταθεροί. Με τροχιακή απόσταση παρόμοια με το TRAPPIST-1 (συντονισμοί 3:2), τέσσερις τροχιές ταιριάζουν άνετα στην κατοικήσιμη ζώνη.

Από την άλλη πλευρά, εάν οι πλανήτες δεν απέχουν μεταξύ τους συντονισμούς, τότε οι μάζες τους έχουν σημασία. Παρακάτω είναι ένα παράδειγμα μέγιστης περιστροφής στην κατοικήσιμη ζώνη για τρεις πλανήτες διαφορετικής μάζας. Για πλανήτες με μάζα Άρη (10 τοις εκατό της μάζας της Γης), 14 τροχιές ταιριάζουν στην κατοικήσιμη ζώνη. αλλά για πλανήτες με μάζα Ποσειδώνα (περίπου 10 φορές τη μάζα της Γης) ταιριάζουν μόνο τρεις τροχιές.

Δεκατέσσερις πλανήτες μάζας Άρη μπορούν να χωρέσουν στην κατοικήσιμη ζώνη, αλλά ο Άρης (τουλάχιστον σήμερα) είναι ένας άψυχος βράχος. Για να διατηρήσει την ατμόσφαιρα και να διατηρήσει την τεκτονική των πλακών για δισεκατομμύρια χρόνια, ένας πλανήτης πρέπει να είναι λίγο μεγαλύτερος, αναμφισβήτητα τουλάχιστον περίπου το 30 τοις εκατό της μάζας της Γης. Έτσι, οι πλανήτες περίπου της μισής μάζας της Γης αποτελούν έναν καλό συμβιβασμό μεταξύ της τροχιακής απόστασης και του δυναμικού ζωής.

Ακολουθούν δύο ακόμη ανατροπές. Πρώτον, δύο πλανήτες μπορούν να μοιράζονται την ίδια τροχιά γύρω από το αστέρι! Αυτά ονομάζονται ζεύγη Trojan (και δεν πρέπει να συγχέονται με τα προφυλακτικά). Αυτό σχεδόν διπλασιάζει τον αριθμό των πλανητών που μπορούν να χωρέσουν σε μια δεδομένη τροχιά.

Η δεύτερη συστροφή είναι οι δυαδικοί πλανήτες. Το φεγγάρι μας έχει σχεδόν το μισό μέγεθος της Γης και ο Χάρων είναι σχεδόν τόσο μεγάλος όσο ο Πλούτωνας. Είναι απολύτως εύλογο να φανταστούμε δύο Γη να περιφέρονται η μία γύρω από την άλλη. Θα μοιάζει κάπως έτσι:

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα συστατικά για να φτιάξουμε ένα υπέροχο ηλιακό σύστημα. Στο ιστολόγιό μου αποκαλώ αυτό το Απόλυτο Ηλιακό Σύστημα 1. Δείτε πώς φαίνεται:

Υπάρχουν έξι σταθερές τροχιές εντός της κατοικήσιμης ζώνης. Ο καθένας περιέχει τέσσερις πλανήτες:δύο δυαδικές Γη σε διαμορφώσεις Trojan. Αυτή η εγκατάσταση είναι σταθερή και συσκευάζει 24 πλανήτες εντός της κατοικήσιμης ζώνης. Φανταστείτε την πανσπερμία σε αυτό το σύστημα! Εάν αναπτυσσόταν ζωή σε οποιονδήποτε από τους πλανήτες, τα αναπόφευκτα συντρίμμια πρόσκρουσης θα εξαπλώσουν σίγουρα τη ζωή σε ολόκληρο το σύστημα. Αυτό θα ήταν ένα αρκετά ακραίο σύστημα που θα δημιουργηθεί στη φύση, αλλά όλα τα κομμάτια είναι απολύτως εύλογα - και συμβαίνουν. Το κόλπο είναι ότι όλα πρέπει να συμβαίνουν στο ίδιο σύστημα.

Τι γίνεται με το Ultimate Solar System 2 ή 3; Αποδεικνύεται ότι υπάρχουν πολλές παραλλαγές σε αυτό το θέμα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη θεωρία σχηματισμού πλανητών για να δημιουργήσετε πλανητικά συστήματα όλων των σχημάτων και μεγεθών. Και αυτή η τρύπα του κουνελιού είναι βαθιά (κάντε κλικ εδώ για να δείτε).

Θα πηδήξω μπροστά στον μεγάλο τελικό. Χρησιμοποιώντας μερικά κόλπα τροχιακής δυναμικής, έφτιαξα ένα πλανητικό σύστημα με 416 πλανήτες στην κατοικήσιμη ζώνη.

Αυτό το σύστημα είναι εντελώς σταθερό—Έλεγξα ξανά με προσομοιώσεις υπολογιστή. Αλλά η φύση θα δυσκολευόταν να διαμορφώσει αυτό το σύστημα. Αν υπάρχει, θα μπορούσε να είχε χτιστεί μόνο από έναν υπερ-προηγμένο πολιτισμό. Γι' αυτό το αποκαλώ το απόλυτο Engineered Ηλιακό Σύστημα.

Φανταστείτε τις ιστορίες που θα μπορούσατε να πείτε σε αυτά τα υπέρτατα ηλιακά συστήματα! Κάθε δυαδικός πλανήτης έχει έναν κοντινό γείτονα που αιωρείται μεγαλύτερο από το φεγγάρι στον ουρανό. Ο νυχτερινός ουρανός έχει έναν εκπληκτικό πλούτο από περιπλανώμενα αστέρια, ενώ οι άλλοι πλανήτες ακολουθούν μονοπάτια καθώς περιφέρονται γύρω από το αστέρι.

Επιστροφή στη Ν_Γη . Εμείς οι αστρονόμοι είμαστε στην ευχάριστη θέση να μετρήσουμε ότι έως και τα μισά αστέρια στον Γαλαξία μας φαίνεται να φιλοξενούν πλανήτες στο μέγεθος της Γης στην κατοικήσιμη ζώνη (N_Γη είναι έως και 50 τοις εκατό για τους κόκκινους νάνους, τα κυρίαρχα αστέρια στον γαλαξία κατά αριθμό). Το TRAPPIST-1 είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα που πηγαίνει ακόμα πιο μακριά και συσκευάζει τρεις πλανήτες στην κατοικήσιμη ζώνη. Ελπίζω όμως για κάποια υπερ-κατοικήσιμα συστήματα με 10, 20 ή εκατοντάδες πλανήτες που μπορούν να φέρουν ζωή. Είναι βέβαιο ότι πρόκειται για συστήματα χαμηλών πιθανοτήτων, αλλά με πεντακόσια δισεκατομμύρια αστέρια στον γαλαξία μας (και οπαδούς επιστημονικής φαντασίας να σταυρώνουν τα δάχτυλά τους) αξίζει σίγουρα να τα ψάξετε!

Ο Sean Raymond είναι ένας αστρονόμος που μελετά τον σχηματισμό και την εξέλιξη των πλανητικών συστημάτων. Δημοσιεύει επίσης blog στο planetplanet.net.

ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΤΕ:Ο αστρονόμος Daniel Wolf Savin σχετικά με την πιο πρακτική εφαρμογή αστροφυσικής.

Αυτή η κλασική ανάρτηση Facts So Romantic δημοσιεύτηκε αρχικά τον Ιούλιο του 2017.