כיום, לא נצפה כוכב לכת במערכת השמש הדומה לכדור הארץ, אבל יש המשערים שניתן לבצע בחלק מהם תהליך הארצה - תהליך שבו באופן מלאכותי הופכים כוכב לכת לדומה לכדור הארץ. עיקר המחקר בנושא מחפש אחר כוכבי לכת חוץ־שמשיים (אקזופלנטות), כאשר חישוב מנובמבר 2013 מעריך שכ־22% ממערכות השמש בגלקסיה הן בעלות פלנטה הנמצאת באזור החיים, ומספר הפלנטות האלו מוערך בכ־40 מיליארד. החישוב בוצע לפי תצפיותיו של טלסקופ החלל קפלר, כלי שבאמצעותו התגלו 913 אקזופלנטות.
טלסקופ החלל WFIRST, אשר יהיה מצויד בקורונגרף מתקדם לצילום כוכבי לכת, מתוכנן להיות משוגר במחצית שנות ה־20 של המאה ה־21.
התנאים הנדרשים.
מידת ההידמות של כוכב לכת לכדור הארץ תלויה במשתנים רבים, אך ישנה הסכמה כללית שכוכב לכת זה יהיה כוכב לכת ארצי (כלומר כוכב לכת בעל פני שטח מוצקים), וישנם כמה מחקרים העוסקים במציאת כוכבי לכת מסוג זה. משתנים נוספים שניתן להתחשב בהם הם גודל כוכב הלכת, הכבידה על פניו, גודל וסוג השמש אותה מקיף (תאום שמשי), מרחק המסלול ממנה ויציבותו, נטיית ציר הסיבוב של כוכב לכת ומהירות סיבובו, גאוגרפיה פיזית - אוקיינוסים, אוויר ומזג אוויר, שדה מגנטי והימצאות חיים מורכבים הדומים לחיים על כדור הארץ. אם בכוכב לכת ישנם חיים מורכבים הדומים לאלו שעל כדור הארץ, ניתן להסיק שקיימים בו רבים מן המאפיינים האחרים. בנוסף יש לזכור שכדור הארץ בעברו הקדום היה בעל מאפיינים שונים מהיום, למשל הרכב האטמוספירה: חמצן היה נדיר באטמוספירה עד הופעת יצורים המבצעים פוטוסינתזה, מה שיצר אטמוספירה עשירה בחמצן (זהו גם אחד העקרונות שבבסיס תהליך ההארצה). גורם נוסף המקשה על מציאת תאום ארצי הוא הימצאותו של לווין טבעי כמו הירח של כדור הארץ שגורם לתופעות כמו גאות ושפל.
גודל.
גודל הפלנטה עשוי להיות מרכיב חשוב מכיוון שלכוכב לכת הדומה יותר לכדור הארץ יש יותר סיכוי להיות ארצי ובעל אטמוספירה מתאימה. אם כוכב הלכת קטן בהרבה מכדור הארץ, הסיכוי שתהיה לו אטמוספירה סמיכה מספיק קטן, כמו בירח ובמאדים. לעומת זאת אם כוכב הלכת גדול בהרבה מכדור הארץ גדל הסיכוי שהוא יהיה ענק גזים - בעל ליבה מוצקה קטנה ושכבת גזים גדולה וסמיכה כמו צדק ונפטון. כוכבי הלכת החוץ־שמשיים הראשונים שהתגלו היו גדולים בהרבה מכדור הארץ וקרובים מאוד לכוכב האם שלהם, ולהם ניתן השם "צדקים חמים". הסיבה לכך היא שגילויים אלו נעשים בעיקר באמצעות מדידת שינוי מחזורי בבהירות של כוכב (כמו בטלסקופ החלל קפלר) או באמצעות מדידה ספקטרוסקופית לזיהוי תנודות מחזוריות של כוכב על פי אפקט דופלר (כמו בספקטרוגרף ). ככל שכוכב הלכת גדול יותר, מאסיבי יותר וקרוב יותר לכוכב האם שלו, כך השפעותיו על הכוכב נעשות משמעותיות יותר וקלות יותר למדידה.
להלן טבלה המשווה גדלים של כוכבי־לכת עם כדור הארץ, בסדר יורד:
המסקנה הנובעת מהטבלה היא שגודלו של כוכב לכת אינו מספק די מידע על מנת להעריך את אופי כוכב הלכת ולכן יש להתחשב בנתונים אחרים. יש להתייחס גם לטמפרטורה, משתנה המושפע מגודל הכוכב (או כוכבים במערכת מרובת כוכבים) במרכז המערכת וסוגו, והמרחק של כוכב הלכת הסובב סביבו. לדוגמה, ניתן לראות שכוכבי לכת כמו נוגה ואלפא קנטאורי Bb דומים מאוד בגודלם לכדור הארץ, אך הם חמים בהרבה וקרובים מאוד לשמש שלהם. משתנה נוסף מושפע גודל הוא הכבידה על פני כוכב הלכת: כוכב לכת בעל מסה גדולה ורדיוס קטן עשוי להיות בעל כבידה עוצמתית יותר מכדור הארץ, וכוכב לכת בעל מסה קטנה ורדיוס גדול עשוי להיות בעל כבידה חלשה יותר מכדור הארץ. לסיכום, גודל כוכב הלכת הוא אמצעי סינון ראשוני למציאת תאום ארצי, בעיקר משום שלא ניתן למדוד מסה של כוכבי לכת חוץ שמשיים באופן מדויק ולכוכבי לכת בגודל של כדור הארץ יש יותר סיכוי להיות ארציים ולא גזיים.
גאולוגיה.
על מנת שכוכב לכת יוכל להיות דמוי כדור הארץ עליו להיות בעל קרקע, ולהכיל את אותם סוגי הקרקע ואותם היסודות. הרכב הקרקע הדומה ביותר לכדור הארץ נמצא בגופים הארציים שבמערכת השמש כמו מאדים וטיטאן, אך עם הבדלים אחרים כמו טמפרטורה וכמות מים. יש להתחשב בכך שמרבית סוגי הקרקע שנוצרו בכדור הארץ הם תוצאות של קשרי גומלין עם מים (סלע משקע, חרסית) והאטמוספירה, פעילות געשית (בזלת), פעולות האדם ותוצרי לוואי של יצורים חיים (פחם, אבן גיר). כוכב לכת דמוי ארץ יהיה צריך, ככל הנראה, לעבור את אותם התהליכים הגאולוגיים שעבר כדור הארץ על מנת להיות דומה לו, ואולי להכיל מים, אטמוספירה, יצורים חיים ופעילות געשית.
מן הטבלה בצד שמאל (התפלגות היסודות בקרום כדור הארץ) עולה שכוכב לכת דמוי ארץ צריך להכיל כמויות גדולות של חמצן וצורן (סיליקון), בעיקר בצורתם הנפוצה על כדור הארץ - תרכובות סיליקטיות. גם לאלומיניום יש חלק ביצירת סיליקטים בשם סילימניטים. משערים כי רוב הברזל בכדור הארץ אינו נמצא בקרום שלו אלא בגלעין שלו, ביחד עם ניקל ומעט קובלט, תכונה חשובה מכיוון שגלעין כדור הארץ, על פי תאוריית הדינמו, יוצר את השדה המגנטי של כדור הארץ. שדה מגנטי זה מקטין את השפעתן של סופות שמש מגנטיות והיעדרו יסכן את החיים על פני כדור הארץ, לכן יש לשקול את קיומה של מגנטוספירה (שדה אלקטרומגנטי) על כוכב לכת מועמד.
טמפרטורה.
ישנם גורמים שונים המשפיעים על הטמפרטורה של כוכב לכת, כשהעיקריים הם סוג השמש (או שמשות) במערכת וגודלה, מרחק כוכב הלכת ממנה והימצאות אטמוספירה על כוכב הלכת (מה שיוצר אפקט חממה). כוכב לכת ללא אטמוספירה הנמצא בשדה קרינה של כוכב יתחמם לטמפרטורה הנקראת "טמפרטורת שיווי המשקל הפלנטרית", הטמפרטורה בה הקרינה שמקבל כוכב הלכת מכוכב האם שלו והקרינה שהוא פולט שוות.
formula_1
formula_2 - טמפרטורת שיווי המשקל הפלנטרית של כוכב לכת
formula_3 - טמפרטורת הקרינה של כוכב האם
formula_4 - האלבדו של כוכב הלכת (ערך בין formula_5 הקובע את אחוזי הקרינה שגוף או משטח מחזיר)
formula_6 - רדיוס כוכב האם
formula_7 - המרחק בין כוכב הלכת לכוכב האם שלו
עבור נוסחה זו מתקבל שטמפרטורת שיווי המשקל של כדור הארץ היא 225K (-18°C), טמפרטורה נמוכה מזו שבפועל. הסיבה לכך היא אפקט החממה שנוצר על ידי האטמוספירה בה הנוסחה אינה מתחשבת. אם כן, ניתן להסיק שהטמפרטורה המשוערת על כוכב לכת עשויה להיות גבוהה יותר מזו הניתנת לחישוב, ודוגמה קיצונית לכך היא נוגה, עם טמפרטורת שיווי משקל של 307K (34°C) ולעומת זאת טמפרטורה בפועל של 737K (464°C), כשהסיבה לכך היא האטמוספירה הסמיכה שלו והרכבה (הלחץ האטמוספירי בנוגה גבוה פי 92 מזה שבכדור הארץ, ושיעור הפחמן הדו־חמצני (גז חממה יעיל במיוחד) באטמוספירה שלו הוא 96.5% לעומת 0.038% בכדור הארץ).
הטמפרטורה המתאימה לכוכב לכת על מנת שיהיה דומה לכדור הארץ היא הטמפרטורה בה יימצאו מים במצב צבירה נוזלי - טמפרטורה חמה מדי ומים יתאדו מן הקרקע, וטמפרטורה קרה מדי תגרום למים לקפוא.
אטמוספירה.
אטמוספירה מתאימה היא מרכיב מהותי בהידמותו של כוכב לכת לכדור הארץ. האטמוספירה של כדור הארץ מכילה גזים חיוניים לחיים, יוצרת שינויים מטאורולוגיים, מסננת את קרינת השמש ויוצרת אפקט חממה. כוכב לכת דמוי ארץ, אם כן, צריך להכיל מאפייני אטמוספירה דומים לכדור הארץ כמו לחץ אטמוספירי והרכב כימי. לא קיימים אמצעי מדידה שיכולים למדוד את מאפייני האטמוספירה של אקזופלנטה, אך ניתן להעריך באופן גס את הסיכוי להימצאות אטמוספירה על כוכב לכת.
ראשית יש לבחון את גודל כוכב הלכת, שכן לכוכבי לכת בגודל של כדור הארץ יש יותר סיכוי להיות דומים לו. אם כוכב לכת יהיה קטן מדי כוח המשיכה שלו לא יוכל להחזיק אטמוספירה צפופה מספיק, ואם הוא יהיה גדול בהרבה (סדר גודל של נפטון או צדק) יהיה לו כוח משיכה גדול יותר ולכן גם אטמוספירה סמיכה מדי. מאחר שהגזים המרכיבים את אטמוספירת כדור הארץ הם חיוניים לכלל היצורים החיים על פניו, הכרחי שכוכב לכת יכיל את אותו ההרכב כדי להיות בר־התיישבות. תופעות של מזג אוויר הן גם חלק חשוב עבור החי על פני כדור הארץ, וללא אפקט חממה טמפרטורת כדור הארץ הייתה נמוכה בהרבה. חיוניותם של המרכיבים הללו נכונה עבור יצורים חיים על פני כדור הארץ, אך יש להתחשב גם באפשרות של קיום חיים שונים מן המוכר הזקוקים לאטמוספירה אחרת או להיעדרה.
מים.
כדור הארץ מכיל מים בכמות גדולה - כ־75% מהשטח שלו מכוסה במים (הידרוספירה), הם מהווים עד 7% מהאטמוספירה (לחות) והיצורים החיים על פני כדור הארץ מורכבים מהם וזקוקים להם כדי להתקיים. על כוכב לכת דמוי ארץ להכיל מים במצב צבירה נוזלי כדי לקיים חיים המבוססים על פחמן ומים כמו בכדור הארץ. טווח המרחקים בין כוכב הלכת לכוכב האם שלו בו מים יימצאו במצב צבירה נוזלי נקרא "האזור הישיב" (Habitable Zone). ההשערה היא שהסיכוי של כוכב לכת להיות מתאים להתיישבות או להכיל חיים גדל אם כוכב הלכת נמצא בטווח זה.
העקרונות המנחים בהגדרת אזור זה הם:
formula_10
כאשר -
formula_11 - עוצמת ההארה של הכוכב (כמה קרינה ליחידת שטח הוא פולט)
formula_12 - שטח מעטפת של כדור (כוכב לכת הוא כדור בקירוב)
formula_13 - קבוע סטפן־בולצמן formula_14
formula_15 - הטמפרטורה האפקטיבית של כוכב הלכת, ובמקרה של האזור הישיב formula_8
אם נבודד את הביטוי formula_17 נגיע לביטוי הבא:
formula_18
אם נציב את מרחק כדור הארץ מהשמש formula_19 ועוצמת ההארה של השמש formula_20, ונחלק את שני הביטויים נקבל:
formula_21
&lt;math&gt;
סטיבן מייקל קוזאדה
סטיב מקווין (במאי)