Жизнеприго́дность плане́ты — пригодность небесного тела для возникновения и поддержания жизни. Сейчас жизнь известна только на Земле и ни одно небесное тело нельзя уверенно признать пригодным для жизни — можно только оценивать степень этой пригодности на основе степени сходства условий на нём с земными. С другой стороны, космическое тело, непригодное для жизни одного типа, может быть вполне пригодно для жизни другого типа (см. статью об альтернативной биохимии.) Таким образом, особый интерес для поиска внеземной жизни, подобной земной, представляют планеты и спутники планет с условиями, подобными земным.
Условия на небесных телах определяются факторами, некоторые из которых для многих тел известны, — физическими характеристиками (в частности, массой и строением), химическим составом, и орбитальными характеристиками, а также параметрами звезды, вокруг которой это тело обращается. Исследованиями в этой области (как теоретическими, так и экспериментальными) занимается относительно молодая наука — астробиология — смежная с биологией и планетологиейa.
Живые организмы всегда нуждаются в источнике энергии. Кроме того, должен выполняться ряд других условий: геофизических, геохимических и астрофизических. В программе развития астробиологии НАСА признаки жизнепригодности планет определены так: большие водоёмы и условия, способствующие синтезу сложных органических веществ, а также наличие источника энергии для поддержания метаболизма.
Оценки жизнепригодности планеты делают на основе её химического состава и физических характеристик (в том числе характеристик её атмосферы) и особенностей орбиты. По этим данным можно сделать выводы о том, какие химические реакции на рассматриваемой планете возможны. Кроме того, жизнепригодность планеты зависит от свойств звезды, вокруг которой она обращается. Звезда должна иметь стабильную светимость в течение достаточно долгого периода времени, достаточного для возникновения и эволюции жизни, не быть сильнопеременной и содержать достаточно много тяжёлых элементов (что даёт возможность формирования землеподобных планет). Важнейший объект изучения астробиологии — каменные планеты и спутники, поскольку там возможна жизнь на основе углерода. Но не исключено и существование жизни с совсем другой биохимией, возможной и на других небесных телах.
Идея, что жизнь может существовать и вне Земли, возникла очень давно. Её рассматривали и философия, и естественные науки. В конце XX века произошло два прорыва в этой области. Во-первых, исследование автоматическими межпланетными станциями других планет и их спутников в Солнечной системе дало много важной информации об этих телах и позволило детально сравнивать их с Землёй по геофизическим параметрам. Во-вторых, стало возможным находить экзопланеты (PSR 1257+12 — первая найденная экзопланета (обнаружена в 1991 году)), и с тех пор количество известных экзопланет постоянно растёт. Так было доказано, что планеты есть не только у Солнца, и горизонт поисков жизни расширился за пределы Солнечной системы.
Пригодные звёздные системы
Спектральный класс
Спектральный класс звезды — показатель температуры её фотосферы, которая для звёзд главной последовательности коррелирует с массой (см. диаграмма Герцшпрунга — Рассела). Пригодными для жизни считаются звёздные спектральные классы в интервале от G или раннего F до среднего K. Это соответствует промежутку температур от чуть более 7000 K до чуть более 4000 K. Например Солнце — звезда класса G2 V с температурой фотосферы в 6000 K. Такие звёзды, при условии средней светимости, обладают рядом важных характеристик, способствующих жизнепригодности их планет: Они живут — пребывают на главной последовательности — не менее нескольких миллиардов лет, что даёт жизни достаточно времени на зарождение и развитие. Более яркие звёзды — классов O, B, и A — обычно живут менее миллиарда лет (некоторые из звёзд О-класса — даже менее 10 миллионов лет). Время жизни Солнца — около 10 млрд лет, а звёзд класса K — более 20 млрд летb. Они испускают достаточно много ультрафиолетового излучения, чтобы запустить в атмосферах планет важные для жизни процессы (синтез органических соединений в ранней атмосфере и образование озонового слоя в более поздней), но не так много, чтобы ионизация убила зарождающуюся жизнь. Эти звёзды достаточно яркие, чтобы обеспечить существование жидкой воды (или иной функционально аналогичной жидкости) даже на далёких планетах. Близкие к звезде планеты для жизни малопригодны, поскольку приливные силы могут ввести их в приливный захват, и на них не будет смены дня и ночи.
В этот спектральный диапазон, вероятно, попадают звёзд в нашей галактике. Подавляющее большинство звёзд во Вселенной составляют менее яркие звёзды классов K и M (красные карлики), поэтому очень важно решить вопрос о жизнепригодности их планет. Красным карликом является и Глизе 581, — первая звезда, у которой обнаружили скальную планету, находящуюся в зоне обитаемости (Глизе 581 c). Эта планета (относящаяся к суперземлям) может иметь жидкую воду. Но возможно, что она слишком горяча для существования жизни из-за парникового эффекта. Вероятно, на следующей планете этой системы — Глизе 581 d — условия более комфортные. Однако их возможное нахождение в приливном захвате жизни не благоприятствует.
Стабильная зона обитаемости
Зоной обитаемости считается участок околозвёздного пространства, внутри которого планеты могут иметь жидкую воду. Например для жизни Земного типа, наличие жидкой воды — одно из важнейших (наряду с наличием источника энергии) условий для существования жизни. Но не исключено, что этот вывод — следствие ограниченности наших знаний. Если будет открыта жизнь, не требующая воды (например, на основе жидкого аммиака), то это изменит представления о зонах обитаемости: жизнепригодным окажется намного больший объём пространстваc. Появится понятие зоны обитаемости для каждого типа жизни, и зона, пригодная для водно-углеродной жизни (аналогичной земной), будет лишь частным случаем.
Отмечают два фактора стабильности зоны обитаемости. Первый — её границы не должны сильно меняться со временем. Конечно, светимость всех звёзд постепенно возрастает, и зона обитаемости от звезды отодвигается, но если это происходит слишком быстро (как, например, в случае звёзд-гигантов), то планеты пробудут внутри обитаемой зоны недостаточно долго, и шанс возникновения на них жизни очень мал. Расчёт положения границ зоны обитаемости и их смещения со временем довольно сложен (в частности, из-за отрицательных обратных связей в CNO-цикле, способных сделать звезду более стабильной). Даже для Солнечной системы оценки границ обитаемой зоны варьируются в широких пределах. Кроме того, возможность существования на планете жидкой воды сильно зависит и от физических параметров самой планеты .
Фактор второй — отсутствие вблизи зоны обитаемости сверхмассивных тел, таких как планеты-гиганты, чьё гравитационное воздействие могло бы препятствовать образованию землеподобных планет. К примеру, пояс астероидов показывает, что рядом с Юпитером отдельные тела не смогли соединиться в планету из-за его резонансного действия, и появись юпитероподобная планета между Венерой и Марсом — Земля почти наверняка не смогла бы приобрести свой нынешний вид. Однако газовый гигант в зоне обитаемости при благоприятных условиях мог бы иметь обитаемые спутники.
В Солнечной системе планеты земной группы расположены внутри, а газовые гиганты — снаружи, но данные по экзопланетам показывают, что эта схема не универсальна, — часто планеты-гиганты находятся на близких к своим звёздам орбитах, разрушая потенциальную зону обитаемости. Однако возможно, что в списке известных экзопланет таких случаев много только потому, что их намного легче обнаруживать. Таким образом, неизвестно, какой тип планетных систем преобладает.
Низкая переменность
Со временем меняется светимость практически всех звёзд, но амплитуда переменности у разных звёзд сильно отличается. Звёзды в середине главной последовательности наиболее стабильны, а большинство красных карликов внезапно и интенсивно вспыхивают. Планеты около таких звёзд малопригодны для жизни, так как для неё неблагоприятны резкие скачки температуры звезды. Кроме того, рост светимости сопровождается увеличением потока рентгеновского и гамма-излучения, которое тоже вредно для живых организмов. Атмосфера смягчает такое воздействие (удвоение светимости звезды не обязательно приведёт к двукратному росту температуры на планете). Но под действием излучения подобной звезды атмосфера может и улетучиться.
В случае Солнца переменность незначительна: его светимость на протяжении 11-летнего солнечного цикла меняется всего на 0,1 %. Но есть сильные (хотя и не бесспорные) признаки того, что даже небольшие колебания светимости Солнца могут значительно влиять на климат Земли даже на протяжении исторического времени. (Например, Малый ледниковый период в середине II тысячелетия н. э. мог быть следствием относительно длительного снижения светимости Солнца.) Таким образом, звезда должна быть не настолько переменной, чтобы изменения её светимости могли оказывать влияние на возможную жизнь. Именно большая амплитуда «солнечного цикла» представляется главным препятствием для жизнепригодности планет звезды 18 Скорпиона — одного из наиболее похожих на Солнце его аналогов. В других отношениях 18 Скорпиона и Солнце очень похожи.
Высокая металличность
Любая звезда главной последовательности состоит в основном из водорода и гелия, а содержание других элементов может сильно варьироваться. Эти элементы в астрофизике условно называют металлами. Это не только металлы в обычном смысле слова, но и другие элементы (такие как углерод, азот, кислород, фосфор, сера и др.). Чем больше металлов в протозвезде, тем больше их и в её протопланетном диске. В бедном металлами диске появление каменных планет затруднено, и они, скорее всего, будут маломассивными и неблагоприятными для жизни.
Спектроскопические исследования звёздных систем, где были найдены экзопланеты, подтверждают взаимосвязь между высокой концентрацией металлов в звёздах и образованием планет: «звёзды с планетами (по крайней мере, подобными известным сегодня) явно богаче металлами, чем звёзды, не имеющие планет». Из необходимости высокой металличности следует необходимость относительной молодости звезды: звёзды, возникшие в начале истории Вселенной, бедны металлами и имеют меньше шансов на формирование вокруг них планет.
Характеристики планет
Обитаемость ожидается в первую очередь от землеподобных планет. Они имеют массу, близкую к массе Земли, состоят в основном из силикатных пород и не окутаны толстой водородно-гелиевой атмосферой, характерной для газовых гигантов. Впрочем, нельзя полностью исключить возможность развития жизни в верхних облачных слоях планет-гигантов и сверхпланет-коричневых карликовd, но это маловероятно, ибо они не имеют твёрдой поверхности и их гравитация слишком велика.
Между тем, землеподобные спутники планет-гигантов вполне обоснованно рассматриваются как возможные места существования жизни.
При оценке жизнепригодности каких-либо небесных тел надо принимать во внимание, что требовательность разных организмов сильно отличается. Сложные многоклеточные организмы (например, животные) намного более требовательны к условиям, чем простые одноклеточные (например: бактерии и археи). Следовательно, одноклеточные непременно более распространены во Вселенной, чем многоклеточные, ибо первые могут жить и там, где не могут вторыеe. Ниже приведены условия, достаточные для жизни вообще, но не любые из них достаточны для сложноорганизованной жизни.
Масса