Parte 5. A escala do universo
A parte anterior .
Resumo da parte anterior.Órbita perto da Terra é muito cara para nós. E o que dizer de outras civilizações com essa pergunta - se elas existem, é claro?
Claro, sobre
todas as formas imagináveis de vida e mente, pode-se dizer ... nada. Existem tantas idéias não fantásticas por aí
[ 945 ] . Mas você pode tentar considerar as civilizações
mais prováveis , com base no que hoje sabemos e acreditamos ser provável. Mesmo nesta forma, a questão não deixa de interessar.
1. Vamos começar com o planeta "deles". Como ela é?
Provavelmente é um corpo celeste com um diâmetro de 8 a 13 mil quilômetros, constituído principalmente por substâncias rochosas e metais, com uma pequena mistura de água e outro gelo. Ele gira em torno de uma estrela a uma distância em que a temperatura do girassol é de 250 a 400 Kelvin. O planeta tem uma atmosfera com uma pressão de pelo menos ± 0,1, mas dificilmente mais do que algumas centenas de atmosferas. Pelo menos centésimos de um por cento do dióxido de carbono
CO 2 está presente na atmosfera. O planeta é tectonicamente ativo, sua densidade é de 4-9 g / cm
3 . A base da bioquímica é a água e o carbono.
Soa horrível como a Terra, certo? Vamos ver o porquê.Repito mais uma vez: estamos procurando o alinhamento mais provável. Sim, a pergunta é relevante em quase todos os aspectos do argumento: "É possível fazer o oposto?" E a resposta geralmente será: “Sim, você pode. Mas a primeira opção ainda é considerada a mais comum hoje. ”
Vamos começar com a bioquímica. Se é geralmente aceito que a base da mente existe vida e a base da vida é a química, então essa química funciona muito melhor em um solvente líquido. As moléculas estão próximas uma da outra. Mistura livre. E se o solvente é "bom", ele também estabiliza as moléculas "certas". Portanto, é necessário fluido. Quais são os candidatos?
Dê uma olhada na composição química do universo:
(De acordo com [ 990 ])Em ordem de prevalência, qual composto químico é composto primeiro por esses elementos? Certo. Água.
H2O . É constituído pelo primeiro e pelo terceiro elemento mais comum. O que se segue é metano
CH4 , metade da mesma frequência. Então a amônia
NH 3 , mas na natureza já é 6 vezes menos que a água. Sim, é claro, este é um "hospital médio", os planetas individuais podem diferir na composição química. Mas, além da perda de hidrogênio, são necessárias premissas não triviais para justificar um planeta onde, digamos, haverá mais nitrogênio que oxigênio. O universo como um todo é bastante uniforme na composição. E a água é o composto químico mais comum. É bastante surpreendente que às vezes ainda existam lugares onde quase não há água ...
Além da prevalência, a água tem várias vantagens em comparação com os dez principais candidatos alternativos. São eles: alta estabilidade química; fortes ligações de hidrogênio; a presença, mas polaridade moderada, levando à capacidade de dissolver sem destruir uma enorme quantidade de substâncias e apoiar reações ácido-base; alta capacidade de calor e calor de evaporação, aumentando a estabilidade da temperatura dos corpos d'água; transparência e, finalmente, o fato de que o gelo da água é
mais leve que o líquido; portanto, é menos provável que a água no inverno congele até o fundo.
Portanto, o solvente mais provável "com eles" é a água.
A palavra "solvente" significa um estado líquido. Isso significa que a temperatura média na superfície do planeta não deve ser inferior a pelo menos 250 Kelvin. E de onde vem o limite superior de 400 K? É determinado pela estabilidade dos compostos de carbono. Por que carbono? Pelas mesmas razões que a água. Sim, não é apenas o carbono que pode formar polímeros complexos "intercalados" com outros elementos. Boro, fósforo, uma ligação silício-oxigênio e até vários metais podem fazer isso:
No entanto, o carbono os atinge na frequência de ocorrência centenas e milhares de vezes, deixando a "vida bórica", a menos que sejam nichos absolutamente exóticos.
Como estamos aqui, entenderemos mais uma coisa. Qual é o composto volátil
não hidrogênio mais comum? A placa diz a você: é dióxido de carbono
CO 2 . Obviamente, seu conteúdo concreto em uma ou outra atmosfera (como gás) ou crosta (na forma de carbonatos) não pode ser chamado de maneira tão simples. Mas é extremamente difícil imaginar um planeta com uma atmosfera sem hidrogênio e uma temperatura normal, onde o dióxido de carbono (ligado ou livre) não teria sido. Pelo menos 0,01% deve ser encontrado.
E isso é importante. A prevalência de dióxido de carbono na natureza impõe um limite superior à densidade da atmosfera. A partir de uma certa espessura, a atmosfera, onde existe um pouco de
CO 2 , não começará a superaquecer devido ao efeito estufa. Ele começará a expulsar o
CO 2 da crosta e, assim, se aquecerá com aceleração. É como em Vênus. É difícil dizer com que pressão exata isso ocorre e tudo depende de muitos parâmetros. Mas, provavelmente, estamos falando de centenas de atmosferas.
Portanto, a atmosfera do planeta não é tão espessa quanto a de um gigante. Mas não muito magro. Porque, se a pressão é significativamente menor que 0,1 atmosfera, a faixa de temperatura da existência de água na forma líquida é bastante reduzida.
Em uma atmosfera de espessura moderada, o regime de temperatura é amplamente determinado pela luz solar. Isso significa que o planeta gira em torno da estrela a uma distância em que a luz solar natural mantém a temperatura aproximadamente nos mesmos 250-400 Kelvin. Na chamada "zona habitável"
[ 948 ] .
Mas água, metano, amônia e outros “sorvetes” não condensam bem no vácuo a temperaturas de 250 K ou mais. Consequentemente, no campo da formação de planetas haverá poucos deles, e eles não se tornarão os componentes predominantes de sua composição. Isso significa que o planeta "deles" será formado a partir de substâncias com maior ponto de ebulição: metais e "pedras", ou seja, óxidos (e possivelmente carbonetos) dos dez elementos mais comuns listados acima. A partir daqui, sabemos aproximadamente a densidade de sua substância.
Além disso, um planeta habitado com evolução química deve manter tectônicas ativas por bilhões de anos. Porque, caso contrário, o clima do planeta com água e
CO 2 na atmosfera cai em uma "bola de gelo" e / ou em um estado semelhante a Marte. A Lua e Marte no Sistema Solar há muito tempo tectonicamente estão mortas. Mas Terra e Vênus - não. Isso significa que o limite inferior do diâmetro do planeta passa em algum lugar entre Marte e Vênus. À vista de milhares, são 8 quilômetros. Sim, um excesso de radionuclídeos pode fornecer aquecimento e atividade e um corpo muito menor. Mas esta é uma solução um pouco menos provável. Porque a quantidade de calor radiogênico é proporcional ao primeiro grau da massa do planeta e a acumulação e calor da diferenciação ao quadrado. Ou seja, "em média por natureza", é mais fácil garantir a atividade do subsolo com uma massa maior do que com uma maior concentração de radionuclídeos. E sim, é claro, um planeta que é um satélite de um gigante pode muito bem ser aquecido por efeitos das marés (como Io), mas ainda não encontramos um exoloon, por isso essa variante não é típica.
O limite superior de tamanho é determinado pela transição para o gigantismo. Acima de uma certa massa, começa a retenção (ou mesmo a captura) de hidrogênio e hélio, e na saída obtemos Netuno ou mesmo Júpiter. As estimativas da massa em que isso acontece variam, vi números de 2 a ~ 10 massas terrestres, mas o limite superior exato, como veremos, não é tão importante. Então, basta pegar o raio superior do nosso 2, ou seja, 13 mil quilômetros.
Bem, o último. Conhecendo a composição química aproximada ("pedras" com metais) e o tamanho, é possível estimar a densidade do planeta, levando em consideração a compressão. Será algo em torno de 4000-9000 kg / m
3 .
O artigo foi escrito para o site https://habr.com . Ao copiar, consulte a fonte. O autor do artigo é Evgeny Bobukh . B: 1KhPVPHw4XrxtuocDiBbh7KVSJ6nDTHtMq; E: 0x3d174b521004B08023E49C216e4fa2f67868210F; L: LZ3bFQHUxBAtpgxcNSfwv61LiwZVx3EGoo Mais simples.
2. A primeira velocidade cósmica em um corpo celeste desse tamanho e densidade é de 4.000 a 20.000 m / s.
3. O combustível usado por eles, pelo menos nos estágios iniciais do programa espacial, dificilmente é muito diferente do nosso. A química é a mesma em todos os lugares, e há apenas uma dúzia de reagentes “bons” de luz e alta energia. E então a velocidade de expiração dos motores dos "seus" mísseis deve, na prática, limitar-se aos mesmos ~ 4500 m / s que os nossos.
4. Usando a fórmula de Tsiolkovsky, descobrimos que a razão
M /
m para seus mísseis estará na faixa de 2,5 a 85. Levamos em conta as imperfeições da engenharia, as gravitacionais e outras perdas, que (para nós) geram a razão teórica esperada
M /
m ≈ 13 para Próton aos trinta. Isso para "eles" transforma
M /
m em 5 - 200.
5. Como o foguete, ao que parece, consiste principalmente de combustível, o valor de
Q 2 (definido como a massa da carga mais combustível para a massa seca da estrutura) para "eles" também acaba por não ser inferior a 5-200.
6. Mas o design alto do
Q2 é caro. Se aceitarmos a fórmula
C (
Q 2 ) ≈ (
Q 2 +1) 2/4 obtida na
primeira parte , verifica-se que os "mísseis" deles são 9 a 10.000 vezes mais caros do que os "deles", por exemplo, caminhões (com a mesma massa). Tudo em ordem de magnitude, é claro.
A borda esquerda parece destemida. No entanto, a maioria dos casos "típicos" pode ser esperada próximo ao meio desse intervalo. Então, para a Terra, na realidade, essa proporção é de 300.
Essa conclusão também pode ser descrita por fórmulas nas quais, estranhamente, o limite da primavera reapareceLembre-se da expressão para a primeira velocidade cósmica:
V 1 2 =
GM p /
R. Tendo revelado a massa do planeta
MP , obtemos
V 1 2 = (4
π / 3)
GρR 2 .Em seguida, o que é
você ? Em um foguete químico, ele
não passa de √2
q , onde
q é o valor calorífico do combustível químico de maior energia. Segue:
V 1 2 /
u 2 > (4
π / 3)
GρR 2 / q [10]
Agora lembre-se de que as coisas estão acontecendo no planeta. Um planeta é uma coisa dessas, que de forma alguma pode assumir a forma de uma mala ou de um boneco de neve, ao contrário do asteróide Ultima Thule
[ 950 ] . Pois mesmo que assuma essa forma de alguma maneira catastrófica, o material do planeta "flutuará imediatamente" sob a pressão de seu próprio peso e retornará ao estado esférico. Essa propriedade, de fato, é uma parte essencial da definição do planeta
[ 960 ] : "<...> o corpo <...>
é maciço o suficiente para ter uma forma esférica sob a influência de sua própria gravidade <...>".
Por exemplo, a pressão no centro da terra é de
[ 970 ] 3,5 * 10
11 pascal. Isso é muito maior do que a resistência à tração
[ 355 ] dos minerais mais persistentes - por que razão todos eles nas profundezas do planeta se comportam mais como um líquido viscoso do que substâncias sólidas.
Introduzimos o "coeficiente planetário" adimensional
P igual à razão entre a pressão no centro do planeta e a resistência à tração dos materiais que compõem o planeta:
P =
p /
σ [15]
Para a Terra,
P é algo em torno de 1700, para Marte - cerca de 250 e até para a Lua - cerca de 45. Em geral, para planetas grandes e tectonicamente ativos (independentemente da composição),
P > ≈ 1000-3000.
Havia uma mera ninharia: escrever a fórmula da pressão no centro do planeta. Numa primeira aproximação, é estimado como
p ≈
ρgR / 2 , onde
ρ é a densidade do planeta e
R é o seu raio. Substituindo aqui
g =
GM /
R 2 e
M = (4
π / 3)
ρR 3 , obtemos:
p ≈ (
2π / 3)
Gρ2R2 .
Uau! E isso é muito semelhante à fórmula [10]. Quase os mesmos fatores. E se combinado? Acontecerá:
V 1 2 /
u 2 > 2
p / (
ρq ) [20]
Mas
p está ligado ao "coeficiente planetário". Ou seja,
p =
σP. Substitua isto:
V 1 2 /
u 2 > 2
σ / (
ρq )
Reescreva um pouco:
V 1 2 /
u 2 > 2
P * (
σ /
ρ ) /
q(
σ /
ρ ) é o limite da mola do conteúdo energético da matéria. É verdade que, se você substituir aqui os materiais mais duráveis, como o grafeno. Rochas reais são mais macias e têm menos conteúdo de energia. Deixe
K vezes. Ou seja, para planetas reais (
σ /
ρ ) é o limite da primavera dividido por
K. O que é
q ? Este é o conteúdo energético do melhor combustível químico! Igual ... ao alcance da primavera! Dois limites de mola são encurtados e permanecem:
V 1 2 /
u 2 > 2
P /
KK para materiais de pedra típicos é 100-1000.
P para planetas grandes - de mil e dezenas de milhares. Portanto, na maioria dos planetas tectonicamente ativos com uma atmosfera, a primeira velocidade cósmica é significativamente maior que a velocidade limite do fluxo de saída de um motor químico.
Que conclusões se seguem?
- Na faixa mais baixa de massas de planetas habitados, o custo de lançamento em órbita é relativamente baixo. Apenas dez vezes mais caro do que entregar a mesma carga por caminhão.
- Para a maioria dos planetas habitados, esse parâmetro é de várias centenas, como para nós.
- Nos maiores planetas, são dezenas de milhares. Mais ou menos o quanto custa nos lançar sondas interplanetárias com uma terceira velocidade espacial sem uma manobra gravitacional. Se os pobres companheiros desse planeta começaram seu programa espacial ao mesmo tempo que nós, agora estão obviamente comemorando o lançamento do terceiro satélite artificial. E sonha desesperadamente com um voo tripulado.
Em geral, em
quase toda a gama de parâmetros realistas dos planetas habitados, o custo de colocar a carga em órbita é exponencialmente alto. Os impulsionadores são quase certamente caros para todos. E enquanto estamos sentados aqui e lendo este artigo, em algum lugar nas galáxias distantes, os Korolevs, Máscaras e Marrons locais estão pressionando, ganhando gramas de peso e segundos de impulso específico, xingando o Limite da Primavera. Quase todas as civilizações planetárias, se houver alguma, são forçadas a resolver o problema que agora nos enfrenta: como pular, contornar, rastejar sob o Limite da Primavera.
A maioria deles tem três maneiras para isso.
Ou tente espremer a primavera até o final devido a nanomateriais e sucessos na química exótica. Não é uma má ideia.
Ou “demitir um corretor”, desenvolvendo física não nuclear de alta energia. Gosto dessa maneira, mas entendo que pode ser apenas minha ilusão pessoal.
Ou desenvolver energia nuclear. Mas tudo está ruim aqui. É provável que as criaturas resultantes da evolução química tenham medo da radiação com suas energias quânticas, ordens de magnitude superiores à energia das ligações químicas. Sim, provavelmente, em princípio, você pode encontrar meios de reparar células vivas, mesmo para toda a biosfera. Lá, o Deinococcus radiodurans
[ 980 ] tolera doses de radiação 10 a 30 vezes maiores do que seus equivalentes bacterianos, provando um teorema sobre a possibilidade fundamental de reparo do DNA em um organismo vivo. No entanto, existe uma enorme diferença entre uma bactéria e toda a biosfera, e não é de forma alguma o fato de ser superável. Pessoalmente, duvido muito disso.
Eu disse três maneiras? Há, no entanto, um quarto. Está disponível para nós, e mais alguns sortudos.
Ou seja, lançar robôs telecontrolados nos satélites mais próximos. Para construir cidades, usinas, foguetes e estações a partir de materiais locais pelas forças desses robôs, sem arrastá-los do fundo do poço gravitacional de um planeta pesado. Nesse sentido, temos
muita sorte. Nós, a uma distância de 1,25 segundos luz, temos uma lua. Com uma enorme oferta de recursos. Para controlar um robô lunar da Terra na TV, não são necessários poderosos sistemas de inteligência artificial. Esse é um problema resolvido na década de 1970. E essa solução pode ser radicalmente aprimorada pedindo ajuda para robótica moderna, programação e aprendizado de máquina. O próximo passo aqui, em certo sentido, é para os leitores de Habr.
Mas, muito provavelmente, nem todas as civilizações tiveram tanta sorte. E muitos deles não têm lua por perto.
Por que suspeito fortemente que, à medida que nossa capacidade de detectar civilizações melhore, nós, quando olharmos para o espaço habitado, veremos uma imagem que se parece cada vez mais com isso:
Muito obrigado a todos e tenham um ótimo 2019!
====
Texto deste tamanho não pode ser escrito sem imprecisões ou erros. Eu realmente aprecio seus comentários e correções úteis. Fico feliz que haja tantas pessoas com conhecimento e pensamento.
Mas, com toda a probabilidade, este é meu último grande post sobre Habré há pelo menos um ano. Pois não se pode violar a lei da conservação de energia com impunidade. E eu o vi por um longo tempo e sem Deus. Afinal, escrever um artigo como esse leva muitos meses e a deliberação leva anos. E este é o trabalho que interfere seriamente nas tarefas de sobrevivência: trabalho, entrevistas, família e reparação de guindastes. Demorado em uma escala que ameaça a vida e a carreira normais. Para Habré, esse esforço, infelizmente, é mal compensado. Não estou procurando trabalho na Rússia. O tópico do artigo é não essencial. Uma simples tentativa de pedir que as criptomoedas completem o ciclo, mesmo no hub "PR", causa um bombardeio de karma que, por mais uma hora - e eu entraria em somente leitura, e você nunca veria este artigo.
No entanto, não digo adeus e agradeço novamente a todos!
Em conclusão, quero fazer um enorme agradecimento peronal:
- Aos amigos que ajudaram a ler este texto antes de sua publicação: Anna Denburg, Daniel Kornev, Denny Gursky, Eugene Luskin, Ilya M. Krol, Khavryuchenko Oleksiy, Michael Entin.
- Universidade Estadual de Novosibirsk pelo que resta em minha mente depois que esqueci tudo - para uma educação de qualidade.
[355]
Resistência dos materiais[945]
Formas alternativas de bioquímica[948]
Área habitada[950]
Asteróide Ultima Thule, também conhecido como "boneco de neve"[960] A
moderna "definição", pah, a definição do planeta[970]
( , )[980]
Deinococcus radiodurans,[990]