Inom astrobiologi och planetarisk astrofysik är den galaktiska beboeliga zonen den del av galaxen som har de mest gynnsamma förutsättningarna för livets ursprung och säker utveckling. Mer specifikt inkluderar begreppet den galaktiska beboeliga zonen en kombination av faktorer (till exempel stjärnors metallicitet och frekvensen av katastrofer som supernovaexplosioner ), som gör att vi med en viss grad av sannolikhet kan säga att en viss region av galaxen är lämplig för bildandet av jordliknande planeter, uppkomsten av primitivt liv, dess överlevnad och utveckling till mer avancerade former [1] . Enligt forskningsdata som publicerades i augusti 2015 är stora galaxer mycket mer gynnsamma för bildandet av jordliknande planeter, i motsats till små galaxer som Vintergatan . [2] När det gäller Vintergatan är den galaktiska beboeliga zonen en ring med en yttre radie i storleksordningen 10 kiloparsecs och en inre radie som motsvarar det galaktiska centrumet . Även om zonen inte har stela gränser [1] [3] .
Teorin om existensen av en galaktisk beboelig zon kritiseras på grund av oförmågan att kvantitativt och kvalitativt utvärdera de faktorer som gör vissa regioner i galaxen mer gynnsamma för beboelighet. [3] Dessutom har datorsimuleringar avslöjat att stjärnor relativt fritt och avsevärt kan ändra sin bana runt det galaktiska centrumet, vilket redan åtminstone delvis ställer tvivel på hypotesen och synpunkten att vissa regioner i galaxen är mer gynnsamma än andra. [4] [5] [6]
Idén om en cirkumstellär beboelig zon föreslogs 1953 av Hubert Strughold och Harlow Shapley [7] [8] och 1959 av Su-Shu Huang [9] som en zon runt en stjärna inom vilken en planet kan hålla flytande vatten på ytan. Sedan 1970-talet har planetforskare och astrobiologer börjat studera närvaron av andra faktorer som är gynnsamma eller destruktiva för skapandet och upprätthållandet av liv på planeter, inklusive effekterna av närliggande supernovor . [10] 1981 föreslog Jim Clark att avsaknaden av kontakt med utomjordiska civilisationer i Vintergatan kunde förklaras av Seyferts utstötningar av den aktiva galaktiska kärnan och jordens gynnsamma position, på grund av vilket vi kringgår strålningsemissioner. [11] Samma år analyserade Wallace Hampton Tucker idén om en galaktisk beboelig zon i en bredare mening, men avbröt senare sina egna argument med efterföljande vetenskapligt arbete. [12]
Den moderna teorin om den galaktiska beboeliga zonen föreslogs 1983 av L. S. Marochnik och L. Mukhin, som definierade detta område som en zon inom vilken intelligent liv kan blomstra [13] [14] . [15] Donald Brownlee och paleontologen Peter Ward utökade konceptet med en galaktisk beboelig zon med resten av faktorerna som är nödvändiga för att komplext liv ska frodas i sin bok från 2000 Unique Earth: Why Complex Life Is Unusual in the Universe [16] . I boken nämnde författarna upprepade gånger den galaktiska beboeliga zonen och andra faktorer som motsvarar argumenten för att intelligent liv inte är något vanligt i universum.
Idén utvecklades vidare i en artikel från 2001 av Ward och Brownlee i samarbete med Guillerimo Gonzalez från University of Washington . [17] [18] I detta dokument hävdade Gonzalez, Brownlee och Ward att regioner nära den galaktiska halo saknade tillräckligt med tunga element för att bilda beboeliga jordliknande planeter, vilket begränsar de yttre gränserna för den galaktiska beboeliga zonen. [10] Å andra sidan kommer överdriven närhet till galaxens centrum att exponera planeten för många supernovaexplosioner och andra energiska utsläpp, såväl som kometbombardement orsakade av störningar i stjärnans Oort-moln . Således beskrev författarna den inre gränsen för den galaktiska beboeliga zonen som börjar nära den galaktiska utbuktningen . [tio]
För att klassificera en viss plats i en galax som tillhörande den galaktiska beboeliga zonen måste flera olika faktorer observeras. Faktorer inkluderar: fördelningen av stjärnor och spiralarmar, närvaron eller frånvaron av en aktiv galaktisk kärna, frekvensen av supernovaexplosioner som kan hota liv, områdets metallicitet och andra mindre betydande faktorer. [10] Utan att matcha dessa faktorer kan en region i en galax inte effektivt stödja liv.
Ett av huvudkraven för liv runt en stjärna är förmågan att bilda jordliknande planeter med tillräcklig massa för att stödja den. Sådana kemiska element som järn , magnesium , titan , kol , syre , kisel och andra är avgörande för närvaron av beboeliga planeter. Deras koncentration och förhållande varierar avsevärt för olika regioner i galaxen. [tio]
Det viktigaste förhållandet mellan grundämnen: [Fe / H ], en av faktorerna som bestämmer galaxens benägenhet att producera jordliknande planeter. Utbuktningen , regionen i galaxen närmast centrum, har ett [Fe/H]-förhållande i området −0,2 decimaler (dex) i förhållande till solförhållandet ; Den galaktiska skivan som är värd för solen har en ungefärlig metallicitet på −0,02 dex på ett avstånd som är lika med solens omloppsbana runt det galaktiska centrumet, och krymper med 0,07 dex för varje ytterligare kiloparsek orbitalt avstånd. Den marginella galaktiska skivan har [Fe/H] i storleksordningen -0,6 dex, medan halo , det längst bort från det galaktiska centrumet, har det lägsta [Fe/H]-förhållandet på cirka -1,5 dex. [10] Dessutom påverkar förhållandena [C/O], [Mg/Fe], [Si/Fe] och [S/Fe] bildandet av jordliknande världar. [Mg/Fe] och [Si/Fe] minskar långsamt över tiden, vilket gör att jordliknande världar som bildas nu och i framtiden till övervägande del kommer att ha järnkärnor. [tio]
Förutom de stabila elementen som utgör huvuddelen av en jordliknande planet, är närvaron av radioisotoper som 40 K , 235 U , 238 U och 232 Th nödvändig för att värma upp planetens kärna och mantel, samt för att initiera livsproducerande processer som plattektonik , vulkanism och magnetisk dynamo . [10] Förhållanden såsom [U/H] och [Th/H] beror direkt på förhållandet [Fe/H]; enligt nuvarande data är det dock inte möjligt att skapa en generaliserad uppfattning om överflödet av 40 K-isotopen. [tio]
Även på en planet med tillräckligt många radioisotoper för att värma kärnan och manteln, kräver livet en mängd olika prebiotiska molekyler för att bildas; därför är fördelningen av dessa molekyler i hela galaxen mycket viktig för att bestämma den galaktiska beboeliga zonen. [15] År 2008 försökte forskaren Samantha Blair och kollegor bestämma den yttre kanten av den galaktiska beboeliga zonen baserat på analys av utsläpp av formaldehyd och kolmonoxid i olika molekylära moln ; bevisen är dock inte avgörande eller fullständig.
Medan en viss nivå av metallicitet är gynnsam för utseendet av jordliknande exoplaneter , är överdriven metallicitet tvärtom ogynnsam för livet. Överdriven metallicitet kan leda till bildandet av ett stort antal gasjättar i planetsystemet, som därefter kan migrera genom snölinjen och bli heta Jupiters , vilket slår planeter i den beboeliga zonen ur omloppsbana. [19] Således ser guldlockens princip i förhållande till metallicitet ut så här: planetsystem med låg metall har liten chans att bilda planeter med jordmassa, medan överdriven metallicitet leder till störningar av dynamiken och beboeligheten i planetsystemet av gasjättar .
Dessutom, för att vara i en region som är kemiskt rik för utveckling av liv, måste en stjärna undvika ett alltför stort antal kosmiska katastrofer som allvarligt kan skada potentiellt liv på planeter som är lämpliga för den. [19] Närliggande supernovor, till exempel, har stor potential att skada livsformer; Med tillräcklig frekvens kan sådana bloss sterilisera hela delar av galaxen från liv i miljarder år. Den galaktiska utbuktningen drabbades till exempel av en våg av accelererad stjärnbildning [10] som i sin tur ledde till en hel kaskad av supernovaexplosioner som berövade regionen alla förutsättningar för bildandet av liv i 5 miljarder år.
Förutom supernovor kan gammastrålning [20] , överdrivna mängder strålning, gravitationsstörningar [19] och en mängd andra händelser förmodligen påverka förekomsten av liv i galaxen. Detta inkluderar, om än kontroversiellt, "galaktiska tidvatten" som kan orsaka kometaktivitet, och till och med kall mörk materia [20] , som, som passerar genom organismer, kan initiera genetiska mutationer. [21] Det är dock mycket svårt att kvantifiera effekterna av dessa händelser på livsbildningen. [19]
De morfologiska egenskaperna hos en galax kan påverka den beboeliga zonen. Till exempel: spiralarmar är regioner av stjärnbildning, men de innehåller gigantiska molekylära moln, och stjärnornas täthet är sådan att den kan orsaka störningar i Oortmolnet av angränsande stjärnor och skicka moln av kometer och asteroider till planeter och satelliter inuti systemet. [22] Dessutom ökar den höga tätheten av stjärnor och den ökade takten i stjärnbildningen risken för supernovaexplosioner, vilket minskar chanserna för uppkomsten av livsformer som är bekanta för oss. [22] Med tanke på alla dessa faktorer är solen mest fördelaktigt placerad för livets uppkomst och utveckling, förutom att vara utanför spiralarmarna, följer vår sols bana en radie av synkron rotation ( corotation ), vilket maximerar intervallet mellan passager av spiralarmarna. [22] [23]
Spiralarmar tros kunna påverka klimatförändringar på planeter. När en stjärna passerar genom de täta molekylära molnen i galaxens spiralarmar kan stjärnvinden tryckas tillbaka mot stjärnan, vilket gör att ett reflekterande lager av väte byggs upp i planetens atmosfär. Ett sådant scenario kan leda till " Snöbollsjord " -effekten [6] [24]
Den galaktiska stapeln , om den finns, kan också påverka storleken på den beboeliga zonen. Man tror att broarna växer med tiden, gradvis når radien för galaxens synkrona rotation och förskjuter stjärnbanorna som passerar genom dem. [23] Högmetallstjärnor, som vår sol, är belägna i mellanzonen mellan den galaktiska halo med låg metallhalt och det galaktiska centrumet med ökade strålningsnivåer, så de kan spridas över hela galaxen i mellanrummen mellan armarna, vilket påverkar definitionen av den galaktiska beboeliga zonen. Kanske är det därför det är omöjligt att dra en enhetlig linje av den galaktiska beboeliga zonen. [23]
Tidiga studier av den galaktiska beboeliga zonen, inklusive en artikel från 2001 av Gonzalez, Brownlee och Ward, drog inga specifika gränser, utan nämnde bara att zonen är ringformad och omfattar en del av galaxen som är berikad på metaller och fri. från överskottsstrålning, och även att den galaktiska skivan är mest lämpad för liv. [10] Nyare studier från 2004 av Lineweaver och kollegor har begränsat cirkeln till mellan 4 och 10 kiloparsecs från Galactic Center.
Lineweavers team analyserade också utvecklingen av den galaktiska beboeliga zonen över tid, och fann till exempel att stjärnor nära den galaktiska utbuktningen måste ha bildats inom de senaste två miljarderna åren för att ha beboeliga världar. [19] Före detta tidsfönster skulle alla stjärnsystem i utbuktningen ha steriliserats från livsformer genom frekventa supernovaexplosioner. Och även efter att supernovahotet har reducerats, skulle den ökade metalliciteten i den galaktiska kärnan leda till att stjärnorna skulle ha ett ökat antal gasjättar, som kan destabilisera stjärnsystemet och radikalt förändra omloppsbanan för vilken planet som helst i cirkumstellären beboelig zon. [19] En simulering från 2005 vid University of Washington visar dock att även om det finns heta Jupiters i systemet, har jordliknande planeter en chans att förbli stabila under långa tidsperioder. [25]
En studie från 2006 av Milan Cirkovic och kollegor utökade förståelsen av tidens betydelse för den galaktiska beboeliga zonen genom att analysera olika kosmiska katastrofer och tidsmässiga fluktuationer i galaktisk dynamik. [20] I tidningen kom forskare till det ganska kontroversiella påståendet att antalet beboeliga planeter kan fluktuera kraftigt över tiden på grund av oförutsägbarheten hos kosmiska katastrofer, vilket leder till en punkterad jämvikt där planeter med beboeliga förhållanden uppträder flera gånger oftare. än andra. [20] Baserat på resultaten av Monte Carlos simuleringar av Vintergatan drog teamet slutsatsen att antalet beboeliga planeter ökar över tiden, men inte alltid i en linjär sekvens. [tjugo]
Nyare forskning har radikalt omdefinierat den galaktiska beboeliga zonen som en cirkel. I en tidning från 2008 föreslog Nikos Prantzos att medan den högsta sannolikheten för att undvika supernovasterilisering är 10 kiloparsecs från centrum, betyder den högsta tätheten av stjärnor närmare den galaktiska kärnan att det högsta antalet beboeliga planeter kan upptäckas exakt där. [3] En studie från 2011 av Michael Gowanlock beräknade antalet planeter som kunde överleva en supernovaexplosion baserat på deras avstånd från den galaktiska kärnan, deras höjd över det galaktiska planet och deras ålder, vilket slutligen drog slutsatsen att endast 0,3 % av stjärnor i galaxen kan för närvarande stödja komplext liv, eller 1,2 %, förutsatt att tidvattenfångst av planeter av röda dvärgar inte förhindrar uppkomsten av komplexa livsformer . [ett]
Som du kan se är teorin om den galaktiska beboeliga zonen full av motsägelser, och förståelsen av denna fråga kommer bara att expandera med tillväxten av vår kunskap om galaxen och dess struktur, mönstren för kosmiska händelser och upptäckten av nya planeter i sina stjärnors beboeliga zoner.
Idén om den galaktiska beboeliga zonen har kritiserats av Nikos Prantzos med motiveringen att parametrarna som bestämmer dess ursprung inte ens kan bestämmas grovt, så den galaktiska beboeliga zonen kan betraktas mer som en konceptuell idé som är nödvändig för en bättre förståelse av fördelningen av livet, snarare än ett mål i sig. [3] Baserat på detta anser Prantzos att hela galaxen är beboelig och begränsar inte livet till en viss plats i rum eller tid. [3] Dessutom kan stjärnor "ovanpå" av galaktiska spiralmoln förskjutas tiotusentals ljusår från sin ursprungliga omloppsbana, vilket stöder antagandet att det inte finns någon specifik galaktisk beboelig zon. [4] [5] [6] En Monte Carlo-simulering förbättrad på de mekanismer som användes av Circovitch 2006 utfördes av Duncan Forgan 2010 vid Royal Observatory of Edinburgh . Data som samlades in under experimentet stöder Prantzos idé att det inte finns någon väldefinierad galaktisk beboelig zon, vilket ger hopp om förekomsten av hundratals utomjordiska civilisationer i Vintergatan, även om det kräver ytterligare observationsdata för att bli mer konkreta och mindre vaga slutsatser. [26]