Nastanjiva zona se najčešće, bar u popularnoj literaturi, definiše kao područje oko zvezde u kojem vlada takva temperatura da na površini planete voda može biti u tečnom stanju. Ta definicija konkuriše za najgoru definiciju u astronomiji jer je nepotpuna, neprecizna, pa i pogrešna jednim delom. Ali i takva ona je korisna i vrši svoju osnovnu funkciju. Sem toga, materija o nastanjivim zonama je toliko opširna i složena da je teško i dati potpunu i preciznu njenu definiciju.

ažurirano 02.06.2022. 

Ideja o nastanjivim zonama stara je preko šest decenija pa njene začetke nalazimo još u literaturi iz 1953. (Hubertus Strughold, The Green and the Red Planet: A Physiological Study of the Possibility of Life on Mars, zatim, Harlow Shapley: Liquid Water Belt itd.). Sam termin nastanjiva zona (engl. habitable zone) je skovan 1959. i potiče od američkog astrofizičara Su-Shu Huang (očito kineskog porekla). Saznaja o nastanjivim zonama se dalje razvijaju i bez sumnje će njihova definicija, sa većim poznavanjem života i dubljim prodorima u tajne svemira, pretrpeti još dosta u svom sadržaju.

Treba napomenuti da se utvrđivanje nastanjivih zona nalazi u funkciji traganja za životom, što se ponekad, kako ćemo videti, gubi iz vida pa se zna desiti da nastanjiva zona u stručnim raspravama izgubi astrobiološki smisao. Još jedna napomena: kada astrobiolozi i drugi naučnici govore o životu izvan naše planete onda obično misle na život koji nam je poznat, koji je u svojoj osnovi isti kao ovaj naš na Zemlji. Možda negde duboko u svemiru postoji sasvim drukčiji život, život zasnovan na nekim egzotičnim elementima, ali to je malo verovatno i sa naučnog stanovišta, za sada, neobjašnjivo.

Cirkumstelarna nastanjiva zona

Kada o govorimo o nastanjivoj zoni najčešće mislimo na područje oko zvezde, a to je, preciznije rečno, cirkumstelarna nastanjiva zona (ili okozvezdana, da skujem naš izraz). Ta zona nije samo jedan pojas u ravni ekvatora zvezde, kako se običo grafički prikazuje, već je zapravo sfera koja obavija čitavu zvezdu. Ova zona zavisi od tipa zvezde, ali i od prirode tela na kome očekujemo tečnu vodu. Da bi na nekom telu voda tekla potrebno je da ono, to telo, ima odgovarajuću atmosferu pa bi pravilnija definicija nastanjive zone glasila: to je ono područje oko zvezde unutar kojeg telo planetarne mase sa odgovarajućom atmosferom (azot, voda, ugljen dioksid) i dovoljnim atmosferskim pritiskom ima na svojoj površini tečnu vodu. Naravno ni to nije sve što se tiče planeta, ali da se za sad koncentrišemo na uticaj zvezda.

ZVEZDE

Nastanjiva zona oko male i hlane zvezde, levo, i oko zvezde džina, desno.

Što je zvezda toplija to je nastanjiva zona udaljenija od nje. Velike, gigantske zvezde sa masom više desetina puta većom od mase Sunca, imaju površinsku temperaturu od preko 50 000 K (Sunce oko 5700 K) i nastanjiva zona oko ovih zvezda se nalazi daleko u prostoru. Problem je što oko velikih zvezda nema pogodnog mesta za život. Snažno ultraljubičasto zračenje gigantskih zvezda sprečava formiranje planeta čak i oko susednih manjih zvezda (o tome: ovde)

Problem je i to što te zvezde imaju kratak život te već nakon desetak miliona godina nestaju u kataklizmičnoj eksploziji, a sa njima nestaje i nastanjiva zona. U tako kratkom periodu život u njihovoj nastanjivoj zoni nije dobio priliku da nastane i još manje da se razvije. Naše iskustvo nam govori da je za nastanak života potrebno bar pola milijardi godina i oko ovih zvezda život bi mogao da bude jedino uvezen, a ne i stvoren.

Drugi problem je pomenuto snažno ultraljubičasto zračenje gigantskih zvezda. Ono razara molekule te i po tom osnovu život nema mogućnosti da se razvije oko gigantskih zvezda. Naše Sunce izliva manje od 10% svoje energije u ultraljubičastom zračenju, dok velike zvezde, poput npr. Siriusa, većinu svoje energije izračju baš putem ultraljubičastih zraka.

Ukratko: nastanjiva zona oko zvezda džinova je kratkotrajna, a nastanak života je suočen sa razarajućim zračenjem.

S druge strane život ima problem i sa zvezdama znatno manjim od našeg Sunca. Te zvezde su hladnije i njihova nastanjiva zona se nalazi blizu njih, a rotacija planete koje na malom rastojanju kruže oko zvezda postaju sinhronizovane, tj. rotacija se izjednačava sa revolucijom te su te planete zvezdi večno okrenute jednom svojom istom stranom (poput našeg Meseca koji Zemlji uvek okreće istu svoju stranu). Zbog toga jedna strana planete akumulira toplotu te ona vremenom postaje prevrela, a druga, dalja od zvezde, prehladna za život. Sem toga velika blizina zvezde dovodi do plimskog zagrevanja planete, te do pojave vulkanizma koji je razarajući faktor za život (ukratko o tome).

Međutim nije tu sve baš jasno jer novija istraživanja govore da zvezde patuljci u nekim slučajevima mogu da svojim planetama omoguće konstantnu temperaturu potrebnu za tečnu vodu i pored toga što su one plimski zaključane. Više o tome.

Višestruke zvezde

Nastanjiva zona oko dvojnih i višestrukih zvezda spada u one koje po pravilu nemaju astrobiološki značaj. Dakle, postoje oblasti sa odgovarajućom temperaturom samo što: ili ne postoji mesto gde bi se život razvio, ili je ono besomučno rešetano destruktivnim zračenjem. Problem je i što su usled gravitacionih uticaja dve ili više zvezda orbite planeta u tim sistemima nestabilne i planete pre ili kasnije padaju na neku od zvezda ili pak budu potpuno izbačene iz sistema. Inače, dvojni i višestruki zvezdani sistemi su česti: približno dve trećine zvezda solarnog tipa u okruženju su članovi binarnih ili multizvezdanih sistema.

Stabilnost zone

Za održavanje i razvoj života takođe je potrebno i da nastanjiva zona bude stabilna i dugotrajna. Dugovečne zvezde takvu zonu omogućavaju jer se njihovo zračenje polako menja omogućavajući tako svojim planetama dug boravak (više milijardi godina) u nastanjivoj zoni.

Gigantske zvezde imaju kratak i buran život te se njihova zona brzo udaljava od njih, a time i planete koje su se nalazile u zoni naglo ostaju van nje. To dovodi do gašenja života na njima (ako se on uopšte razvio).

Nastanjiva zona Sunčevog sistema

zona, tj. njen astrobiološki potencijal, zavisi i od karakteristike tela koje se nalazi u toj zoni. Objasnićemo to na našem primeru, na nastanjivoj zoni oko Sunca. Ta zona nije u literaturi potpuno jasno i precizno određena, i mnogi naučnici daju svoju procenu njene udaljenosti od Sunca i njenog prostiranja. Unutrašnja granica nastanjive zone po nekim autorima počinje već na 0,5 AJ. Neki drugi tu unutrašnju granicu smeštaju dalje od Sunca, čak do 0,99 AJ što bi značilo da se Zemlja kreće uz samu njenu ivicu. Ni spoljna granica nastanjive zone nije precizno i bez nedoumica određena. Polazeći od različitih kriterijuma neki tu granicu smeštaju na 1,01 AJ. (i u tom slučaju Zemlja se kreće na samoj njenoj, spoljnoj, ivici) dok drugi idu dublje u svemir i vide je na čak 3 AJ.

Uzmimo da se nastanjiva zona oko Sunca prostire od Venere (0,72 AJ) pa do Ceresa (2,7 AJ) – to je najrasprostranjenija procena. Dakle, od planeta Venera, Zemlja i Mars se nalaze u nastanjivoj zoni i na njima, prema tome, očekujemo tečnu vodu. Ali Venera ima veoma gustu atmosferu, bogatu elementima staklene bašte te na njenoj površini vlada temperatura od preko 460 stepeni. Zato na njoj, i pored visokog atmosferskog pritiska, tečne vode nema. Mars je na drugoj strani nastanjive zone. On ima veoma retku atmosferu koja nije u stanju da sačuva vodu u tečnom stanju i pored odgovarajuće temperature koja vlada u nastanjivoj zoni, te je Marsova voda odavno isparila. (Nedavno su otkriveni dokazi o postojanju tečne vode u nekim oblastima Marsa, ali je ona, ako zaista postoji, sezonskog karaktera i javlja se samo na pojedinim, retkim mestima gde je atmosferski pritisak u relativnom smislu visok – više o tome). Ceres: ako uopšte ima atmosferu ona je vrlo retka i tanka te je i ta planeta patuljak suva.

Prema tome u nastanjivoj zoni tečna voda na površini planete nije neminovna.

Mars nije uspeo da saču a svoju vodu koja je pre pre nekoliko milijardi godina tekla njegovom površinom. Danas su od sve te vode ostala samo rečna korita.

Ali, da iza Ceresa postoji super-Zemlja, sa gustom atmosferom i visokim atmosferskim pritiskom, ona bi na svojoj površini mogla da ima tečnu vodu. U tom slučaju morali bismo da korigujemo našu procenu prostiranja nastanjive zone u Sunčevom sistemu i znatno je proširimo. Iz tog razloga neki autori i prave različite definicije nastanjive zone s obzirom na to da li govorimo o planetama kakve su Venera, Zemlja i Mars (konzervativna definicija) ili o super-Zemljama (proširena definicija).

Život

Ali, postojanje tečne vode na nekom telu ne znači da je na njemu život nužan, pogotovo ne svaki život. Ako na nekoj planeti vlada temperatura od 90 ili 100 stepeni, na njoj ne očekujemo složene oblike života iako voda na njima može da bude i u tečnom stanju (što zavisi od atmosferskog pritiska). Životinje, kažu biolozi, mogu da podnesu temperaturu od najviše 50 stepeni, ali neki najjednostavniji organizmi su mnogo tolerantniji od viših i zato je za njih nastanjiva zona znatno šira, skoro ceo Sunčev sistem. Naravno, govorimo o raznim tipovima ekstremofila od kojih neki normalno žive u ključaloj vodi, dok drugi uspevaju na temperaturi koja se kreće oko nule.

Orbite

Ima još nešto važno za održanje života. To su orbite sa što manjim ekscentricitetom. Naglašeno eliptična orbita može periodično sasvim da izvede planetu izvan nastanjive zone, ili, ako ne to, onda da tokom godine izazove ekstremne klimatske promene koje onemogućavaju život u celini ili bar život složenijih organizama. Sem toga, eliptične orbite su nestabilne (zbog nejednakog gravitacionog uticaja ostalih tela sistema na različite delove orbite, i zbog mogućeg ukrštanja sa orbitama drugih tela).

Stabilnost zone

Koliko je stabilna nastanjiva zona Sunca? Pre četiri milijardi godina Sunce je zračilo 30 % slabije nego danas i tada je njegova nastanjiva zona bila bliže njemu. Sa jačim zračenjem nastanjiva zona se sve više udaljava i kada jednoga dana Sunce dospe u fazu crvenog džina nastanjiva zona će se pružati od 7 do čak 22 AJ. Ali Sunčeva nastanjiva zona je dovoljno dugovečna za nastanak i razvoj života na Zemlji. Za složen život Zemlja će biti pogodno mesto još od 0,9 do 1,5 milijardu godina. Nakon toga na planeti će nastaviti svoj život samo niži organizmi i to sve dok nakon 3,5 milijardi godina Zemlja ne postane potpuno sterilna (zbog sve jačeg zračenja Sunca).

Ali…

Možda tečna voda na površini planete nije neophodna za život. Na Zemlji je pronađen život i na dubini od čitavih šest kilometara. Ako tako gledamo nastanjivu zonu onda ona zavisi od unutrašnje toplote planete koja može da potiče od nuklearnih reakcija u njenom jezgru (temperatura u jezgru Zemlje iznosi preko 5000 stepeni – što je, približno, i temperatura Sunca na površini). Dakle, i neka planeta daleko izvan nastanjive zone zvezde može da neguje život u sebi.

Nastanjiva zona planete

Planete, mogu da imaju svoju nastanjivu zonu, nezavisno od matične zvezde, u okviru koje se nalaze sateliti. To je slučaj npr. sa našim Jupiterom koji svojom gravitacijom zagreva bliske satelite. Od njih posebno je zanimljiva Evropa (zbog nejednakog uticaja gravitacije Jupitera na pojedine delove Evropine orbite oko Jupitera dolazi do unutrašnjeg trenja u samom satelitu, te do njegovog zagrevanja). Ispod ledene kore ovog satelita nalazi se okean tečne vode zbog čega je on meta astrobiologa. Takvu zonu oko planeta zovemo cirkumplanetarna nastanjiva zona.

Voda? Zašto samo voda?

Titan

Jezera na Titanu - u lažnim bojama. Radaski mozaik područja na Titanu, načinen sa Kasinija.

Nastanjiva zona u svom izvornom shvatanju odnosi se na vodu. Neki astrobiolozi zameraju tu isključivost i pominju metan i etan koji bi, po njima, mogli da zamene vodu kao elemenat života. Oba ta elementa su tečna na vrlo niskim temperaturama (ključaju na -161,5 metan i -33,34 C etan) i ako pođemo od toga onda je nastanjiva zona oko Sunca znatno pomerena ka daljim predelima Sunčevog sistema, do spoljnih planeta. Saturnov Titan obiluje jezerima etana, metana i propana, a nalazi se 10 astronomskih jedinica daleko od Sunca.

Teško je zamisliti biologiju koja bi objasnila život na tako niskim temperaturama, jer iako su navedeni elementi u tečnom stanju na tako niskim temperaturama molekuli su uspavani te je i eventualni života takav: jedva da se razlikuje od nežive prirode.

Nastanjiva zona galaksije

Nastanjiva zona galaksije je posebna tema i o njoj ćemo ovde samo nešto ukratko reći. Ona ne govori ništa o tečnoj vodi i koncentrisana je više na to gde život nije moguć, nego gde jeste.

Nisu sve galaksije sposobne da iznedre život. Eliptične galaksije oskudevaju prašinom što je osnovni materijal za pravljenje planeta i zbog toga se na njih ne računa mnogo. Zato su spiralne galaksije dobri kandidati za postojanje života jer se u njihovim kracima nalaze ogromni oblaci prašine i gasa od kojih se formiraju čitavi zvezdani sistemi sa pripadajućom pratnjom. Samo i kod njih postoje ograničenja za nastanak i razvoj života. U središtima ovih galaksija se nalazi visoka koncentracija zvezda, a sa njima tu su i česte eksplozije supernovih i novih zvezda koje u međuzvezdani prostor izlivaju ogromne količine X i gama zraka. Računa se da je jedna tipična eksplozija u stanju da steriliše prostor u prečniku od jedne svetlosne godine i da ruinira život u prečniku od 30 svetlosnih godina.

Obodi ovih galaksija su mirnija područja, ali njima nedostaju elementi koji su neophodni za formiranje terestričkih planeta te život nema na čemu da postoji. Izlazi da život treba tražiti u spiralnim galaksijama i to u oblastima koja se nalaze daleko i od jezgra i od oboda galaksije, tj. baš tamo gde se i naše Sunce nalazi.