Ile planet podobnych do Ziemi już odkryliśmy?

Zgodnie z aktualizowanymi informacjami na stronie Exoplanets NASA z końcem lutego 2024 roku znano 5587 potwierdzonych planet pozasłonecznych, tworzących 4415 układów planetarnych. Różnica w liczbach bierze się stąd, że często w danym układzie, choćby w naszym Układzie Słonecznym, krąży nie jedna, a kilka planet. Ponad pięć tysięcy obiektów to ilość, która pozwala wyciągać pewne wnioski statystyczne.

Egzoplanety można podzielić na cztery główne typy: gazowe olbrzymy podobne do Jowisza, szeroką klasę planet typu neptunowego, superziemie (masywniejsze od Ziemi, ale lżejsze od Neptuna) i wreszcie planety typu ziemskiego, rozmiarów Ziemi lub mniejsze, składające się ze skał, krzemianów i wody. W poszukiwaniach planet podobnych do naszej koncentrujemy się zwykle na tych ostatnich.

Ziemski analog, bliźniaczka Ziemi lub po prostu "druga Ziemia" to planeta lub księżyc o środowisku bardzo zbliżonym do ziemskiego. Może, ale niekoniecznie musi być zamieszkiwalna, czyli sprzyjać utrzymaniu życia biologicznego. Jeśli tak jest, staje się tym bardziej interesująca dla astrobiologów, zarówno ze względu na poszukiwania samego życia w Kosmosie, jak i hipotetycznych pozaziemskich cywilizacji.

Motyw Drugiej Ziemi jest dziś szeroko rozpowszechniony w literaturze science fiction i kulturze popularnej. Sprawa nie jest jednak prosta. Dziesięć lat temu astronomowie analizujący dane z misji satelity Kepler poinformowali, że w Drodze Mlecznej powinny być miliardy planet wielkości Ziemi. Z czasem okazało się jednak, że odkryte dotąd układy pozaziemskie pod wieloma względami znacznie różnią się od Układu Słonecznego.

To zdaje się raczej potwierdzać hipotezę rzadkiej Ziemi: zgodnie z nią naszą planetę charakteryzuje wyjątkowo rzadka kombinacja parametrów sprzyjającą powstaniu złożonego życia, ale Kosmos jest tak wielki, że podobna kombinacja zachodząca gdzie indziej jest mało prawdopodobna, zatem drugie takie miejsce, jeśli istnieje, znajduje się bardzo daleko stąd.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Poszukiwania planet podobnych do naszej, być może żywych lub nadających się do zamieszkania, są Świętym Graalem astronomii. Wizja odkrycia "drugiej Ziemi" ma też odległy w czasie, fantastyczny, ale istotny wymiar praktyczny: jako gatunek dążymy do rozpoznania, a kiedyś może i skolonizowania innych światów. Szukamy więc globów mogących być nowym domem dla ludzkości, umożliwiających jej przetrwanie w razie jakiejś katastrofy na Ziemi, z odległą wizją końca życia Słońca włącznie.

Globy zbliżone rozmiarami do Ziemi nie tylko mają stałą powierzchnię i są, jak się powszechnie uważa, skaliste, ale i wykazują większe szanse na utworzenie i utrzymanie atmosfery podobnej do ziemskiej. W poszukiwaniach analogu Ziemi astronomowie skupiają się więc na planetach nie większych niż dwukrotność promienia Ziemi. Promień ma istotne znaczenie, gdyż wiąże się z nim skład i masa planety.

Nie determinuje on jednak pełnego podobieństwa danego świata do Ziemi ani jego potencjalnej zamieszkiwalności. Krytyczna jest jeszcze średnia temperatura planety. Przykładu nie trzeba szukać daleko: Wenus jest rozmiarami zbliżona do Ziemi, ale temperatury na niej dochodzą do prawie 500 stopni Celsjusza. Podobnie jest z trzema planetami w układzie Kepler-42: są one mniejsze od Ziemi, skaliste, ale prawdopodobnie krążą zbyt blisko swojej gwiazdy, aby mogła na nich istnieć woda w stanie ciekłym. Małych, ale bardzo gorących i orbitujących w niewielkiej odległości od gwiazdy planet odkryto w ostatnich latach sporo.

Planeta bliźniacza Ziemi musi więc spełniać kilka cech jednocześnie. Powinna na przykład posiadać wystarczająco silne pole magnetyczne – ma takie Ziemia, ale nie mają już Wenus i Mars. Powinna okrążać gwiazdę odpowiedniego typu i w odpowiedniej odległości. Gwiazda ta może, ale nie musi być podobna do Słońca; pod uwagę bierze się też gwiazdy mniejsze i emitujące mniej energii.

Dobrym przykładem jest TRAPPIST-1, chłodny czerwony karzeł odległy od Słońca o 40 lat świetlnych, okrążony przez siedem planet, w większości dość podobnych do Ziemi. Znajdują się one na orbitach zlokalizowanych bliżej gwiazdy centralnej niż w przypadku Ziemi w naszym układzie, co zdaniem naukowców rekompensuje jej słabsze światło i ciepło – będąc tak blisko, planeta i tak otrzymuje ilość promieniowania zapewniającą warunki korzystne do utrzymania wody w stanie ciekłym, a może nawet i życia.

Jeśli o życiu mowa, ważny jest też czynnik czasu. Słońce, jako karzeł typu widmowego G2, będzie istniało w obecnej formie jeszcze przez kilka miliardów lat. TRAPPIST-1, karzeł typu M8 o masie nie wynoszącej nawet 0,1 masy Słońca, będzie wciąż stabilną gwiazdą ciągu głównego nie przez kolejne miliardy, a całe biliony ziemskich lat. Wiemy, że na Ziemi żywe formy wyewoluowały w ciągu około miliarda lat. Sugeruje to, że życie raczej nie ma zbyt dużych szans powstania na planetach okrążających gwiazdy bardzo masywne, których średni czas życia liczy się nie w miliardach, a zaledwie milionach lat.

Odległość i inne parametry orbity egzoplanety często da się wyznaczyć łatwo. Trudniej jest ocenić, czy występuje na niej woda i atmosfera.

Pod koniec ubiegłego roku w czasopiśmie Nature Astronomy opublikowano ciekawe wyniki badań, zgodnie z którymi o obecności ciekłej wody na powierzchni planety może świadczyć stosunkowo niewielki udział dwutlenku węgla w jej atmosferze. Dotyczy to i Ziemi, która też zawiera go mniej w porównaniu z Wenus i Marsem. Wiadomo z drugiej strony, że to właśnie ziemskie oceany w ciągu milionów lat odegrały istotną rolę w pochłanianiu dwutlenku węgla, przez co nasza atmosfera jest dziś w ten gaz względnie uboga.

Naukowcy doszli więc do wniosku, że wykrycie podobnego deficytu dwutlenku węgla w atmosferze egzoplanety w porównaniu do innych skalistych planet znajdujących się w tym samym układzie pozasłonecznym może być ważną przesłanką za istnieniem całych oceanów, a może i jakichś form życia na jej powierzchni.

Dwutlenek węgla w dodatku silnie absorbuje fale podczerwone, więc da się go łatwo wykryć w atmosferze planety. Z pomocą przychodzi Teleskop Jamesa Webba, obserwujący kosmos właśnie w podczerwieni, i to z ogromną zdolnością rozdzielczą. Oszacowano, że byłby w stanie zmierzyć poziom dwutlenku węgla w atmosferach planet w stosunkowo bliskich układach, w tym we wspomnianym już TRAPPIST-1.

Dzięki czułym instrumentem na pokładzie teleskopu Webba można z niespotykaną wcześniej dokładnością nie tylko obserwować galaktyki, ale i lepiej badać egzoplanety, określając skład chemiczny ich atmosfer w poszukiwaniu pary wodnej, tlenu, czy tak zwanych biosygnatur. Czy dzięki temu teleskopowi znajdziemy w końcu planety bardzo podobne do Ziemi? Z pewnością ma on potencjał.

Jeszcze do niedawna wiarygodna ocena podobieństwa obcych światów do Ziemi i ich zamieszkiwalności była w dużej mierze poza zasięgiem teleskopów. Przez ostatnie kilkanaście lat zaszedł pod tym względem znaczny postęp, możliwy głównie za sprawą misji satelitarnych Kepler i TESS, a od niedawna i JWST. Uczeni związani z teleskopem Webba niedawno wprost przyznali, że jak na razie nie znalazł on żadnych silnych poszlak istnienia życia poza Ziemią. A co z szerzej rozumianym podobieństwem do Ziemi?

W styczniu 2023 roku poinformowano o odkryciu odległej o 41 lat świetlnych LHS 475 b, będącej pierwszym planetarnym znaleziskiem właśnie na koncie Webba. Jest jak dotąd globem najbardziej podobnym do Ziemi pod względem rozmiarów, o średnicy stanowiącej 99% średnicy naszej planety. Ma też stałą powierzchnię, ale na tym podobieństwa się kończą, bo jest ona o kilkaset stopni gorętsza niż powierzchnia Ziemi. LHS 475 b prawdopodobnie nie posiada też atmosfery, ewentualnie ma niepodobną do ziemskiej atmosferę złożoną na przykład z dwutlenku węgla.

Bliźniacze planety mogą też czaić się całkiem blisko, na przykład okrążać najbliższą nam po Słońcu gwiazdę Centauri C (znaną też jako Proxima Centauri), która jest słabym czerwonym karłem. W jej strefie zamieszkiwalnej krąży skalista planeta Proxima Centauri b o rozmiarach zbliżonych do Ziemi – to też najbliższa Ziemi planeta pozasłoneczna. Szacuje się, że jej masa jest nie mniejsza niż 1,3 masy Ziemi.

Ze względu na niewielką odległość od gwiazdy może się na niej utrzymywać ciekła woda. Ze względu na bliskość NASA chce wystrzelić w jej kierunku sondę kosmiczną, która wykryje ewentualnie dalsze podobieństwa, a może i biosygnatury. Zła wiadomość jest taka, że początek misji – o ile w ogóle dojdzie do jej finansowania – planowany jest dopiero na 2069 rok.

W 2011 roku specjaliści z NASA i Instytutu SETI zaproponowali ocenę podobieństwa nowo odkrywanych planet za pomocą skali podobieństwa do Ziemi ESI (Earth Similarity Index). Skalę można wykorzystać do prostego porównywania egzoplanet i wyodrębniania tych bardziej interesujących z dużych baz danych, a także w analizach statystycznych. Jako główne kryteria podobieństwa przyjęto masę, promień i średnią temperaturę planety. Dla Ziemi podobieństwo wynosi dokładnie 1, dla Neptuna tylko 0,18. Według tego wskaźnika jedną z bardziej podobnych do Ziemi egzoplanet jest właśnie Proxima Centauri b, o ESI równym 0,86.

Znane dziś egzoplanety z najwyższym ESI to między innymi rekordowa pod tym względem planeta b w układzie Gwiazdy Teegardena, czerwonego karła położonego w odległości 12 lat świetlnych od Słońca (ESI 0,95) i skaliste planety TRAPPIST-1e i TRAPPIST-1d (ESI 0,85 i 0,91). I tak dalej – przykładów jest znacznie więcej.

Na czoło listy wysunęła się niedawno KOI-4878.01 – planeta o ESI wynoszącym nawet 0,98, promieniu równym 1,04 ziemskiego i zbliżonej do Ziemi masie. Krąży wokół gwiazdy podobnej, choć trochę jaśniejszej od Słońca, żółtego karła oddalonego od nas o ponad 1000 lat świetlnych. Rok na planecie to 449 dni ziemskich. Na dodatek temperatura jej powierzchni została wstępnie oceniona na -16,5°C, ale przy prawdopodobnym założeniu, że planeta ma atmosferę podobną do ziemskiej, wartość ta wzrasta do 17,85 °C.

Problem? Nie potwierdzono wciąż, że KOI-4878.01… naprawdę istnieje. Wprawdzie teleskop Keplera wykrył wcześniej jej prawdopodobne przejścia przed tarczą macierzystej gwiazdy, ale potrzebne są dalsze badania.

Przeglądając bazy danych odnajdujemy też ziemiopodobne globy o współczynnikach ESI mniejszych od 0,8. Pamiętajmy jednak, że ESI nie uwzględnia składu atmosfery planety ani tego, jak wysokie są szanse na pojawienie się na niej życia. Są i inne metody szacowania podobieństwa do Ziemi. Zapewne i one będą z czasem ewoluować, bo postęp w technikach wykrywania planet pozasłonecznych jest dynamiczny, a pojawienie się jeszcze lepszych teleskopów to kwestia czasu.

Prace naukowe poświęcone częstości występowania planet podobnych do naszej nadal dają skrajnie różne wartości: od jednej (Ziemia) do miliardów. Z drugiej strony egzoplanety w Galaktyce są liczne, a wciąż odkrywamy nowe. Trudno też jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie postawione w tytule, ponieważ podobieństwo do Ziemi silnie zależy od przyjętych kryteriów jego oceny. Można zatem przyjąć, że tych planet może być zarówno kilka, jak i kilkadziesiąt czy kilkaset.