Superziemie czyli raje, których miało nie być

Niemiecki astronom René Heller i amerykański fizyk John Armstrong są przekonani, że wiele z nich stwarza lepsze warunki do powstania życia niż sama Ziemia.

To Superziemie – „niespodziewanie rozpowszechnione egzoplanety”, jak można przeczytać na okładce marcowego numeru renomowanego amerykańskiego magazynu Sky & Telescope. To miesięcznik przeznaczony wprawdzie dla amatorów astronomii, ale chętnie czytany także przez bardzo poważnych, zawodowych astronomów.

Wokół Słońca żadna taka superziemia nie krąży. Dlatego astronomowie dopracowali się teorii, że w ogóle nie mogą istnieć. Gdyby bowiem powstały – uznali – zaczęłyby przyciągać otaczające je hel i wodór i szybko spuchłyby do rozmiarów Urana czy Neptuna, czyli planet o średnicy cztery razy większej niż średnica Ziemi i masie kilkanaście razy większej niż masa Ziemi.

Dziś już jest jasne, że była to wielka pomyłka.

Pierwsze egzoplanety

Planety poza Układem Słonecznym, to ciągle jeszcze astronomiczna nowinka. Amerykańska agencja badania przestrzeni kosmicznej NASA na stronie poświęconej egzoplanetom prezentuje wprawdzie listę 3461 takich ciał niebieskich. Ale o pierwszych z nich świat się dowiedział raptem ćwierć wieku temu.

21 kwietnia 1992 roku dwaj radioastronomowie, Polak Aleksander Wolszczan z Pennsylvania State University i Uniwersytetu im. Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz Kanadyjczyk Dale A. Frail z National Radio Astronomy Observatory w Socorro w Nowym Meksyku, ogłosili odkrycie trzech planet krążących wokół pulsara PSR 1257+12, który obserwowali w 1990 roku radioteleskopem Arecibo na Portoryko.

Ich odkrycie początkowo spotkało się ze sceptycyzmem. Ale dziś nikt już go nie podaje w wątpliwość.

Keplerowski przełom

W 1995 roku dwaj szwajcarscy astronomowie, Michel Mayor and Didier Queloz, odkryli pierwszą planetę krążącą wokół gwiazdy podobnej do Słońca. Nazywa się 51 Pegasi b, jest dwa razy mniejsza od Jowisza i okrąża swoją gwiazdę w ciągu czterech ziemskich dni.

Potem doniesienia o kolejnych odkryciach zaczęły się mnożyć. Egzoplanet były wkrótce dziesiątki, potem setki.

Przełom przyniosło jednak umieszczenie na orbicie w 2009 roku kosmicznego teleskopu Kepler, który przez cztery lata wpatrywał się nieustannie w maleńki wycinek nieba. Astronomowie odkryli tam ponad 2000 planet i wskazali niemal 5000 kandydatek na planety.

Dziś uważają, że każda gwiazda w naszej galaktyce ma co najmniej jedną planetę. „To znaczy, że jest w niej około biliona planet, z których wiele ma rozmiary podobne jak Ziemia”, informuje NASA.

Superziemie i Minineptuny

W 2003 Wolszczan wraz z Maciejem Kownackim (również UMK) wyliczyli masy pierwszych egzoplanet. Dwie z nich mają 2,8 i 3,4 masy Ziemi i tym samym należą do „zakazanej” kategorii. W myśl wspomnianej teorii nie powinny w ogóle istnieć.

Dziś wiemy, że planety większe od Ziemi i jednocześnie mniejsze od Neptuna nie tylko istnieją, ale są bardzo powszechne. Tę grupę tworzą dwa rodzaje ciał niebieskich: skaliste jak Ziemia – i to są właśnie Superziemie, oraz lodowo-gazowe jak Neptun, zwane Minineptunami.

Odkrycia pozasłonecznych planet naturalnie od razu zrodziły pytanie, czy na którejś z nich istnieje życie. Uwaga naukowców skoncentrowała się na poszukiwaniu planet znajdujących się w obszarze stwarzającym odpowiednie ku temu warunki, zwanym ekosferą, lub „gwiazdową strefą mieszkalną” (po angielsku: „habitable zone”). To region wokół gwiazdy, w którym woda na powierzchni obiegającej ją planety pozostaje w stanie ciekłym. Gdy planeta znajduje się między gwiazdą a ekosferą, jest zbyt gorąco i woda wyparuje. Gdy jest poza nią – zamarznie.

Jednak nie zawsze tak musi być.

Lepsze niż Ziemia

„Wielka rozmaitość egzoplanet zasugerowała mi i innym, że Ziemia wcale nie musi być szczytem tego, co umożliwia istnienie życia”, napisał astronom René Heller z Instytutu Badań Systemu Słonecznego Maxa Plancka w Getyndze na łamach magazynu Scientific American ze stycznia 2015 roku w artykule zatytułowanym „Lepsze niż Ziemia”.

Niektóre egzoplanety, mogą mieć jego zdaniem znacznie większe szanse na stworzenie i utrzymanie stabilnych biosfer. „Te ‘supermieszkalne światy’ mogą być optymalnymi celami poszukiwań pozaziemskiego, pozasłonecznego życia”, twierdzi Heller.

Do tego wniosku doszedł wspólnie z Amerykaninem Johnem Armstrongiem, fizykiem z Weber State University w Ogden, Utah, z którym rok wcześniej opublikował na łamach czasopisma Astrobiology pracę zatytułowaną właśnie „Supermieszkalne światy” („Superhabitable Worlds”). Tekst zaczyna się od niemal paradoksalnego zdania: „Aby nadawać się do zamieszkania, świat (planeta lub księżyc) nie musi znajdować się w gwiazdowej strefie mieszkalnej, a światy w strefie mieszkalnej wcale nie muszą nadawać się do zamieszkania.”

Długowieczne Superziemie

Liczne odkrycia Superziemi skierowały uwagę astronomów na ten rodzaj planet. Heller i Armstrong doszli do wniosku, że w tej kwestii lepsze warunki niż nasza Ziemia mogą zaoferować planety nieco od niej większe i obiegające gwiazdy mniejsze i chłodniejsze od Słońca. To tak zwane karły K i M, które świecą mniej intensywnie, ale znacznie efektywniej, a przede wszystkim dłużej niż Słońce wykorzystują swoje zasoby energetyczne. Mając ich mniej, mogą stabilnie świecić nie przez dziesięć miliardów lat, ale nawet kilka razy dłużej, zwiększając tym samym szanse pojawienia się życia na obiegających je planetach.

„Skaliste Superziemie, dwukrotnie większe od naszej planety, powinny starzeć się ładniej niż Ziemia, zachowując wewnętrzne ciepło na dużo dłużej, z powodu ich znacząco większej masy”, sądzi Heller. A to znaczy, że ich wnętrza pozostaną w stanie ciekłym. Dlatego nie zniknie pole magnetyczne chroniące przed promieniowaniem kosmicznym ich powierzchnie i ewentualne formy życia, które mogły się tam rozwinąć.

Rajskie archipelagi

Jednym ze skutków wyższej grawitacji na powierzchniach Superziemi są atmosfery grubsze i gęstsze niż ziemska. Znajdujące się na nich góry będą więc szybciej ulegały erozji. Wskutek tego ich powierzchnie powinny być bardziej płaskie niż w wypadku Ziemi. Jeżeli jest tam też woda, to zdaniem Hellera i Armstronga w takim spłaszczonym krajobrazie powstaną raczej niezbyt rozległe, płytkie morza, z których będą wystawać archipelagi wysp, niż olbrzymie, głębokie oceany oddzielone od siebie wielkimi kontynentami.

Ponieważ na Ziemi życie rozwija się szczególnie bujnie w płytkich, przybrzeżnych wodach, można przypuszczać, że taki pozasłoneczny „świat archipelagów” może być nadzwyczaj korzystny dla rozwoju życia. Szczególnie wtedy, gdy oś obrotu takiej planety będzie tak pochylona w stosunku do płaszczyzny jej orbity, że różnice temperatur między jej strefą równikową a biegunami będą na tyle niewielkie, że bieguny nie pokryją się lodowymi czapami.

Takie planety mogłyby się stać rajskimi ogrodami pozaziemskiego życia.

Pulsujący życiem Wszechświat

O ile Heller i Armstrong zaczynają od czegoś w rodzaju paradoksu, o tyle kończą niezwykłą wizją Wszechświata pulsującego życiem. Odrzucają hipotezę Rzadkich Ziemi, sformułowaną w roku 2000 przez naukowców z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, geologa i paleontologa Petera Warda oraz astronoma i astrobiologa Donalda E. Brownlee, których zdaniem powstanie życia wymagało ekstremalnie nieprawdopodobnej współgry warunków na Ziemi i dlatego skomplikowane życie we Wszechświecie jest zjawiskiem nieprawdopodobnym.

Heller i Armstrong zgadzają się wprawdzie, że istnienie innej planety, która byłaby naprawdę podobna do Ziemi, jest niemożliwe, ale uważają, że to wcale nie wyklucza zrodzenia się życia na innych planetach. Wręcz przeciwnie, ich zdaniem istnieje taka mnogość procesów, że pozaziemskie światy mogą być bardziej przychylne dla życia niż Ziemia.

Aureliusz M. Pędziwol