I astrobiologi og planetarisk astrofysik er den galaktiske beboelige zone det område af galaksen med de mest gunstige betingelser for livets oprindelse og sikker udvikling. Mere specifikt inkluderer begrebet den galaktiske beboelige zone en kombination af faktorer (for eksempel stjernernes metallicitet og hyppigheden af katastrofer som supernovaeksplosioner ), som giver os mulighed for med en vis grad af sandsynlighed at sige, at et bestemt område af galaksen er velegnet til dannelsen af jordlignende planeter, fremkomsten af primitivt liv, dets overlevelse og udvikling til mere avancerede former [1] . Ifølge forskningsdata offentliggjort i august 2015 er store galakser meget mere gunstige for dannelsen af jordlignende planeter, i modsætning til små galakser som Mælkevejen . [2] I tilfældet med Mælkevejen er den galaktiske beboelige zone en ring med en ydre radius i størrelsesordenen 10 kiloparsec og en indre radius svarende til det galaktiske centrum . Selvom zonen ikke har stive grænser [1] [3] .
Teorien om eksistensen af en galaktisk beboelig zone er kritiseret på grund af manglende evne til kvantitativt og kvalitativt at evaluere de faktorer, der gør visse områder af galaksen mere gunstige for beboelighed. [3] Derudover har computersimuleringer afsløret, at stjerner relativt frit og væsentligt kan ændre deres kredsløb omkring det galaktiske centrum, hvilket allerede i det mindste delvist sår tvivl om hypotesen og synspunktet om, at visse områder af galaksen er mere gunstige end andre. [4] [5] [6]
Ideen om en circumstellar beboelig zone blev foreslået i 1953 af Hubert Strughold og Harlow Shapley [7] [8] og i 1959 af Su-Shu Huang [9] som en zone omkring en stjerne, inden for hvilken en planet kan holde flydende vand på overfladen. Siden 1970'erne er planetforskere og astrobiologer begyndt at studere tilstedeværelsen af andre faktorer, der er gunstige eller ødelæggende for skabelsen og vedligeholdelsen af liv på planeter, herunder virkningen af nærliggende supernovaer . [10] I 1981 foreslog Jim Clark , at manglen på kontakt med udenjordiske civilisationer i Mælkevejen kunne forklares med Seyfert- udstødningerne af den aktive galaktiske kerne og Jordens gunstige position, på grund af hvilken vi omgår strålingsemissioner. [11] Samme år analyserede Wallace Hampton Tucker ideen om en galaktisk beboelig zone i bredere forstand, men aflyste senere sine egne argumenter med efterfølgende videnskabeligt arbejde. [12]
Den moderne teori om den galaktiske beboelige zone blev foreslået i 1983 af L. S. Marochnik og L. Mukhin, som definerede dette område som en zone, inden for hvilken intelligent liv kan blomstre [13] [14] . [15] Donald Brownlee og palæontolog Peter Ward udvidede konceptet om en galaktisk beboelig zone med resten af de faktorer, der er nødvendige for , at komplekst liv kan trives i deres bog fra 2000 Unique Earth: Why Complex Life Is Unusual in the Universe [16] . I bogen nævnte forfatterne gentagne gange den galaktiske beboelige zone og andre faktorer, der svarer til argumenterne for, at intelligent liv ikke er noget almindeligt i universet.
Idéen blev videreudviklet i et papir fra 2001 af Ward og Brownlee i samarbejde med Guillerimo Gonzalez fra University of Washington . [17] [18] I dette papir argumenterede Gonzalez, Brownlee og Ward for, at områder nær den galaktiske glorie manglede nok tunge elementer til at danne beboelige jordlignende planeter, hvilket begrænser de ydre grænser for den galaktiske beboelige zone. [10] På den anden side vil overdreven nærhed til galaksens centrum udsætte planeten for adskillige supernovaeksplosioner og andre energiske udslip, såvel som kometbombardement forårsaget af forstyrrelser i stjernens Oort-sky . Således skitserede forfatterne den indre grænse af den galaktiske beboelige zone, der starter nær den galaktiske bule . [ti]
For at klassificere en bestemt placering i en galakse som tilhørende den galaktiske beboelige zone, skal flere forskellige faktorer observeres. Faktorer omfatter: fordelingen af stjerner og spiralarme, tilstedeværelsen eller fraværet af en aktiv galaktisk kerne, hyppigheden af supernovaeksplosioner , der kan true livet, områdets metallicitet og andre mindre væsentlige faktorer. [10] Uden at matche disse faktorer kan et område i en galakse ikke effektivt understøtte liv.
Et af hovedkravene til liv omkring en stjerne er evnen til at danne jordlignende planeter med tilstrækkelig masse til at understøtte den. Sådanne kemiske elementer som jern , magnesium , titanium , kulstof , oxygen , silicium og andre er afgørende for tilstedeværelsen af beboelige planeter. Deres koncentration og forhold varierer betydeligt for forskellige områder af galaksen. [ti]
Det vigtigste forhold mellem grundstoffer: [Fe/ H ], en af de faktorer, der bestemmer galaksens tilbøjelighed til at producere jordlignende planeter. Bulge , området af galaksen tættest på centrum, har et [Fe/H]-forhold i området -0,2 decimaler (dex) i forhold til solforholdet ; Den galaktiske skive, der er vært for Solen, har en omtrentlig metallicitet på -0,02 dex i en afstand svarende til Solens kredsløb omkring det galaktiske centrum, idet den skrumper med 0,07 dex for hver yderligere kiloparsek kredsløbsafstand. Den marginale galaktiske skive har [Fe/H] i størrelsesordenen -0,6 dex, mens haloen , det fjerneste område fra det galaktiske centrum, har det laveste [Fe/H]-forhold på omkring -1,5 dex. [10] Derudover påvirker [C/O], [Mg/Fe], [Si/Fe] og [S/Fe] forhold dannelsen af jordlignende verdener. [Mg/Fe] og [Si/Fe] falder langsomt over tid, hvilket betyder, at jordlignende verdener, der dannes nu og i fremtiden, overvejende vil have jernkerner. [ti]
Ud over de stabile grundstoffer, der udgør hovedparten af en jordlignende planet, er tilstedeværelsen af radioisotoper som 40 K , 235 U , 238 U og 232 Th nødvendig for at opvarme den planetariske kerne og kappe, samt for at igangsætte livsproducerende processer såsom pladetektonik , vulkanisme og magnetisk dynamo . [10] Forhold som [U/H] og [Th/H] afhænger direkte af forholdet [Fe/H]; ifølge de nuværende eksisterende data er det dog ikke muligt at skabe en generaliseret idé om overfloden af 40 K isotopen. [ti]
Selv på en planet med nok radioisotoper til at opvarme kernen og kappen, kræver livet en række præbiotiske molekyler for at dannes; derfor er fordelingen af disse molekyler i hele galaksen meget vigtig for at bestemme den galaktiske beboelige zone. [15] I 2008 forsøgte videnskabsmanden Samantha Blair og kolleger at bestemme den ydre kant af den galaktiske beboelige zone baseret på analysen af emissioner af formaldehyd og kulilte i forskellige molekylære skyer ; beviserne er dog ikke afgørende eller fuldstændige.
Mens et vist niveau af metallicitet er gunstigt for udseendet af jordlignende exoplaneter , er overskydende metallicitet tværtimod ugunstigt for livet. Overskydende metallicitet kan føre til dannelsen af et stort antal gasgiganter i planetsystemet, som efterfølgende kan migrere gennem snegrænsen og blive til varme Jupitere , hvilket slår planeter i den beboelige zone ud af kredsløb. [19] Guldlokkens princip i forhold til metallicitet ser således således ud: planetsystemer med lavt metal har ringe chance for at danne jordiske planeter, mens overdreven metallicitet fører til forstyrrelse af planetsystemets dynamik og beboelighed af gasgiganter .
For at være i et område, der er kemisk rigt til udvikling af liv, skal en stjerne desuden undgå et alt for stort antal kosmiske katastrofer, der alvorligt kan skade potentielt liv på planeter, der er egnede til den. [19] Nærliggende supernovaer har for eksempel et stort potentiale til at skade livsformer; givet tilstrækkelig hyppighed, kan sådanne udbrud sterilisere hele områder af galaksen fra liv i milliarder af år. Den galaktiske bule led for eksempel en bølge af accelereret stjernedannelse, [10] som igen førte til en hel kaskade af supernovaeksplosioner, der fratog regionen alle betingelser for dannelsen af liv i 5 milliarder år.
Ud over supernovaer kan gammastråleudbrud [20] , store mængder stråling, gravitationsforstyrrelser [19] og en lang række andre begivenheder formentlig påvirke udbredelsen af liv i galaksen. Dette inkluderer, omend kontroversielt, "galaktiske tidevand", der kan forårsage kometaktivitet, og endda koldt mørkt stof [20] , som, der passerer gennem organismer, kan igangsætte genetiske mutationer. [21] Disse begivenheders indvirkning på dannelsen af liv er dog meget svær at kvantificere. [19]
De morfologiske træk ved en galakse kan påvirke den beboelige zone. For eksempel: spiralarme er områder med stjernedannelse, men de indeholder gigantiske molekylære skyer, og tætheden af stjerner er sådan, at den kan forårsage forstyrrelser i Oort-skyen af nabostjerner og sende skyer af kometer og asteroider til planeter og satellitter inde i system. [22] Derudover øger den høje tæthed af stjerner og den øgede hastighed af stjernedannelse risikoen for supernovaeksplosioner, hvilket reducerer chancerne for fremkomsten af livsformer, vi kender. [22] I betragtning af alle disse faktorer er Solen placeret mest gunstigt for livets fremkomst og udvikling, udover at være uden for spiralarmene følger vores sols kredsløb en radius af synkron rotation ( corotation ), hvilket maksimerer intervallet mellem passager af spiralarmene. [22] [23]
Spiralarme menes at kunne påvirke klimaændringer på planeter. Når en stjerne passerer gennem de tætte molekylære skyer i galaksens spiralarme , kan stjernevinden skubbes tilbage mod stjernen, hvilket får et reflekterende lag af brint til at opbygge sig i planetens atmosfære. Et sådant scenarie kan føre til " Sneboldjord " -effekten [6] [24]
Den galaktiske bar , hvis den er til stede, kan også påvirke størrelsen af den beboelige zone. Det antages, at broerne vokser over tid og gradvist når radius af galaksens synkrone rotation og forskyder de stjernebaner, der passerer gennem dem. [23] Højmetalstjerner er ligesom vores sol placeret i mellemzonen mellem den galaktiske halo med lavt metalindhold og det galaktiske centrum med øgede strålingsniveauer, så de kan blive spredt over hele galaksen i hullerne mellem armene, hvilket påvirker definitionen af den galaktiske beboelige zone. Måske er det derfor, det er umuligt at tegne en ensartet linje af den galaktiske beboelige zone. [23]
Tidlige undersøgelser af den galaktiske beboelige zone, inklusive et 2001-dokument af Gonzalez, Brownlee og Ward, trak ingen specifikke grænser, idet de kun nævnte, at zonen er ringformet og omfatter en region af galaksen, der er beriget med metaller og frit. fra overskydende stråling, og også at den galaktiske skive er bedst egnet til liv. [10] Nyere undersøgelser fra 2004 af Lineweaver og kolleger har begrænset cirklen til mellem 4 og 10 kiloparsecs fra Galactic Center.
Lineweavers team analyserede også udviklingen af den galaktiske beboelige zone over tid og fandt for eksempel ud af, at stjerner tæt på den galaktiske bule skal være dannet inden for de sidste to milliarder år for at have beboelige verdener. [19] Før dette tidsvindue ville ethvert stjernesystem i bulen være blevet steriliseret for livsformer ved hyppige supernovaeksplosioner. Og selv efter at supernovatruslen er reduceret, ville den øgede metallicitet af den galaktiske kerne føre til, at stjernerne ville have et øget antal gasgiganter, der er i stand til at destabilisere stjernesystemet og radikalt ændre kredsløbet for enhver planet i cirkumstellaren beboelig zone. [19] En simulering fra 2005 ved University of Washington viser imidlertid, at selvom der er varme Jupitere i systemet, har jordlignende planeter en chance for at forblive stabile over lange perioder. [25]
En undersøgelse fra 2006 af Milan Cirkovic og kolleger udvidede forståelsen af tidens betydning for den galaktiske beboelige zone ved at analysere forskellige kosmiske katastrofer og tidsmæssige udsving i galaktisk dynamik. [20] I papiret kom videnskabsmænd frem til den ret kontroversielle påstand, at antallet af beboelige planeter kan svinge meget over tid på grund af uforudsigeligheden af kosmiske katastrofer, hvilket fører til en punkteret ligevægt , hvor planeter med beboelige forhold optræder flere gange oftere. end andre. [20] Baseret på resultaterne af Monte Carlo - simuleringer af Mælkevejen konkluderede holdet, at antallet af beboelige planeter stiger over tid, men ikke altid i en lineær sekvens. [tyve]
Nyere forskning har radikalt omdefineret den galaktiske beboelige zone som en cirkel. I et papir fra 2008 foreslog Nikos Prantzos, at mens den højeste sandsynlighed for at undgå supernovasterilisering er 10 kiloparsec fra centrum, betyder den højeste tæthed af stjerner tættere på den galaktiske kerne, at det højeste antal beboelige planeter kan detekteres præcis der. [3] En undersøgelse fra 2011 af Michael Gowanlock beregnede antallet af planeter, der kunne overleve en supernovaeksplosion baseret på deres afstand fra den galaktiske kerne, deres højde over det galaktiske plan og deres alder, hvilket i sidste ende konkluderede, at kun 0,3 % af stjerner i galaksen kan i øjeblikket understøtte komplekst liv, eller 1,2%, hvis det antages, at røde dværges tidevandsfangst af planeter ikke forhindrer fremkomsten af komplekse livsformer . [en]
Som du kan se, er teorien om den galaktiske beboelige zone fuld af modsigelser, og forståelsen af dette spørgsmål vil kun udvides med væksten i vores viden om galaksen og dens struktur, mønstrene for kosmiske begivenheder og opdagelsen af nye planeter i deres stjerners beboelige zoner.
Ideen om den galaktiske beboelige zone er blevet kritiseret af Nikos Prantzos med den begrundelse, at parametrene, der bestemmer dens oprindelse, ikke engang groft kan bestemmes, så den galaktiske beboelige zone kan betragtes som mere en konceptuel idé, der er nødvendig for en bedre forståelse af fordelingen af livet, snarere end et mål i sig selv. [3] Baseret på dette betragter Prantzos hele galaksen som beboelig og begrænser ikke livet til et bestemt sted i rum eller tid. [3] Derudover kan stjerner "på toppen" af galaktiske spiralskyer forskydes titusindvis af lysår fra deres oprindelige kredsløb, hvilket understøtter antagelsen om, at der ikke er nogen specifik galaktisk beboelig zone. [4] [5] [6] En Monte Carlo-simulering forbedret på de mekanismer, der blev brugt af Circovitch i 2006, blev udført af Duncan Forgan i 2010 ved Royal Observatory of Edinburgh . Dataene indsamlet under eksperimentet understøtter Prantzos' idé om, at der ikke er nogen veldefineret galaktisk beboelig zone, som giver håb om eksistensen af hundredvis af udenjordiske civilisationer i Mælkevejen, selvom det kræver yderligere observationsdata for at blive mere konkrete og mindre vage konklusioner. [26]