כוכב לכת דמוי ארץ

רקע היסטורי

מוערך כי הפילוסוף הפיתגוראי פילולאוס שיער בשנת 400 לפני הספירה את קיומו של "כדור־ארץ נגדי" כחלק מהמודל שלו ליקום.] על פי היפותזה שלו, במרכז היקום מצויה מעין "אש מרכזית" שסובבים אותה שלושה גופים בשלושה מסלולים: "אנטי כדור־הארץ" בזמן מחזור של 24 שעות, אחר כך כדור הארץ בזמן מחזור של 24 שעות, ולבסוף השמש בזמן מחזור של שנה אחת. כדור הארץ והנגדי שלו תמיד נמצאים בצדדים מנוגדים של האש המרכזית, ולכן הם נסתרים זה מזה. עם עליית הפופולריות של תאוריות גיאוצנטריות הטוענות שכדור הארץ נמצא במרכז היקום, קפא הניסיון לשער את קיומו של כוכב השווה לכדור הארץ בחשיבותו.]
במאה ה־16 הציע קופרניקוס, אסטרונום פולני, את המודל ההליוצנטרי לפיו כדור הארץ סובב סביב השמש ולא להפך, מה שחולל שינוי בתפיסה של כדור הארץ - הוא אינו מיוחד ואינו מרכז היקום, לכן עשויים להיות רבים כמוהו. בשנים 1858–1920, אנשים רבים ובהם מדענים האמינו כי כוכב הלכת מאדים דומה מאוד לכדור הארץ במסלולו סביב השמש, בעונות על פניו ובנטיית ציר הסיבוב שלו, אך יבש יותר ובעל אטמוספירה סמיכה יותר. אנשים שיערו שקיימת עליו ציוויליזציה שאף הקימה ערוצי נחל עליו, אולם כאשר השתכללו הטלסקופים התגלה שלא קיימת במאדים ציויליזציה וערוצי הנחל היו אשליה אופטית.] בדומה למאדים, עד שנות ה־60 של המאה ה־20 אנשים רבים וביניהם מדענים האמינו שנוגה דומה לכדור הארץ, אך מדברי או לח עם עננים ואוקיינוסים, חם יותר ובעל אטמוספירה סמיכה יותר.] בשנות ה־60 התברר שהטמפרטורה על פני השטח שלו היא כ־482°C והאטמוספירה שלו צפופה פי 92 מזו של כדור הארץ.]
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, כמו 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.

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.
 - טמפרטורת שיווי המשקל הפלנטרית של כוכב לכת
 - טמפרטורת הקרינה של כוכב האם
 - האלבדו של כוכב הלכת (ערך בין  הקובע את כמות הקרינה שגוף או משטח מחזיר)
 - רדיוס כוכב האם
 - 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.

גיל

גילאי הכוכב וכוכב הלכת שלו חייבים להיות לפחות 3 מיליארד שנים כדי לקיים חיים מורכבים. אמנם מוערך שיצורים חד־תאיים החלו להתפתח על כדור הארץ 0.8 מיליארד שנים לאחר שנוצר, אולם יצורים רב־תאיים הופיעו רק 3–4 מיליארד שנים לאחר מכן. הכוכב צריך להיות בסדרה הראשית, כלומר להתיך מימן להליום ולהיות בשלב הראשי של חייו (ראה ערך: מחזור חייו של כוכב). בנוסף, הכוכב צריך להישאר בסדרה הראשית לפחות 3 מיליארד שנים, כלומר בטווח זמן זה הוא אינו עובר לשלב הבא שלו, אלא ממשיך להתיך מימן.

יציבות

כוכב לכת דמוי ארץ דורש את קיומם של תנאים דומים לאורך זמן, ללא שינויים קיצוניים שיגרמו לו להיות בלתי ישיב. האזור הישיב, טווח המרחקים סביב הכוכב בו יכולים להימצא מים במצב צבירה נוזלי, צריך להיות ברוחב מתאים לאורך זמן ולא להשתנות בתכיפות. מסלולו של כוכב הלכת סביב הכוכב צריך להיות יציב ולא אקסצנטרי מדי, אחרת יחווה הכוכב כמויות משתנות של קרינה ועשוי לחלוף על פני האזור הישיב שלו מספר פעמים בהקפה. במערכת מרובת כוכבים, הסבירות שלכוכב לכת יהיה מסלול קבוע היא נמוכה, שכן הוא יושפע מהכבידה של הכוכבים שבמערכת ויסטה ממסלולו. גם כוכבי לכת גדולים בעלי מספר מסות צדק עלולים להסיט את מסלולם של כוכבי לכת קטנים יותר, לכן קיומם עשוי לפגוע ביציבות המסלול.

מתכתיות

מתכתיות היא מדד לכמות היסודות הכבדים יותר מהליום המצויים בכוכב. לפי המתכתיות ניתן לשער מהו גיל הכוכב, כשמתכתיות גבוהה מעידה על כוכב מדור צעיר יותר. המתכתיות היא מרכיב חשוב בכוכב דמוי שמש מכיוון שכוכבי לכת מורכבים ברובם מיסודות כבדים מהליום, וכוכב צריך להיות בעל מתכתיות של לפחות 0.4 מזו של השמש () על מנת שיוכל ליצור כוכבי לכת. מתכתיות גבוהה יותר מגדילה את הסיכוי להיווצרות כוכבי לכת גדולים יותר הדומים יותר לצדק, כך שאם כוכב לכת כזה יימצא באזור הישיב קיימת אפשרות שאחד הירחים שלו יהיה כוכב לכת דמוי ארץ. בנוסף, בשמש כמות ליתיום פחותה מכוכבים דמויי שמש אחרים, ונמצא קשר בין כמות ליתיום נמוכה בכוכבים להימצאות מערכת פלנטרית סביב הכוכב. באמצעות קשר זה ניתן למקד את החיפוש עבור כוכבים להם רמת ליתיום נמוכה ביחס לאחרים.

סוג הכוכב

הגבלת גיל המינימום ל־3 מיליארד שנים מגבילה את אפשרויות הסיווג ספרקטלי לכוכבים מסוג F, G, K ו־M, מכיוון שכוכבים חמים יותר הם בעלי תוחלת חיים קצרה יותר (השמש משויכת לסיווג G2). באשר לכוכבים מסוג F, הדאגה העיקרית היא קרינה על־סגולה חזקה שעלולה להזיק ליצורים חיים, אולם קיימת השערה שקרינה על־סגולה חזקה יותר תיצור שכבת אוזון עבה יותר שתגן עליהם. כוכבים מסוג M קרים בהרבה מן השמש, אך הם מעוררים עניין כי הם מהווים כ־76% מכוכבי הסדרה הראשית ולכן עשויים להימצא בקלות. למרות השכיחות של כוכבי M ותוחלת החיים הארוכה במיוחד שלהם, האזור הישיב שלהם צר והם בעלי נטייה להתפרצויות אנרגיה בלתי צפויות.

בתוך מערכת השמש

בעבר רווחה הדעה שכוכבי לכת כמו נוגה, מאדים ונפטון דומים מאוד לכדור הארץ ועשויים להכיל חיים. למרות הפרכת רעיונות אלו בתצפיות שנעשו במאה ה־20, מדענים ממשיכים לחשוב על פתרונות התיישבות במערכת השמש כשהמניעים העיקריים לעשות זאת הם הקרבה שלהם לכדור הארץ והתחשבות בהתפתחות טכנולוגית עתידית שתאפשר את הפיכתם לישיבים. למען השוואה - המערכת הקרובה ביותר לכדור הארץ, אלפא קנטאורי, מצויה במרחק 4.4 שנות אור, שהן 111.3 מיליון פעמים המרחק בין כדור הארץ לירח (המקום המרוחק ביותר מכדור הארץ אליו הגיע אדם).

מחוץ למערכת השמש

הסיכוי למצוא כוכב לכת חוץ־שמשי דומה לכדור הארץ אינו ניתן לחישוב מדויק מכיוון שלא נמצאו תאומי־ארץ ממשיים עדיין. הדעות החלוקות בעניין מתחלקות לשתי גישות עיקריות: האחת גורסת כי כוכבי לכת חוץ שמשיים אינם דבר נדיר מכיוון שכדור הארץ נוצר באופן רנדומלי לחלוטין (עקרון הממוצעות) ולכדור הארץ אין מעמד מיוחד ביקום (העקרון הקופרניקני), השנייה גורסת כי רצף האירועים שהוביל למצבו הנוכחי של כדור הארץ הוא מורכב ובעל סבירות נמוכה, לכן כוכבי לכת חוץ־שמשיים הדומים לכדור הארץ הם נדירים (היפותזת כדור הארץ הנדיר), ויכול להיות שאם נמצא אחד הוא יהיה רחוק מדי להגעה. על רקע אי הוודאות ובעקבות אי ההתאמה של עצמים במערכת השמש מדענים ממשיכים לחפש אקזופלנטות (כוכבי לכת חוץ־שמשיים) הדומות לכדור הארץ.
טלסקופ החלל COROT ששוגר בשנת 2006 וטלסקופ החלל קפלר ששוגר בשנת 2009 במטרה לחפש אקזופלנטות דמויות ארץ, הם האמצעים העיקריים לגילוי כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש. עד היום (פברואר 2014) אושרו 1077 אקזופלנטות, מתוכן בודדות דומות לכדור הארץ. בפרק זה רשימה חלקית של מועמדים אפשריים.
בשנת 2016 נמצאו עדויות לפיהן ישנו כוכב לכת באזור הישיב של אלפא קנטאורי, המערכת הקרובה ביותר אלינו (מרחק 4.3 שנות אור).

גליזה 667Cc

גליזה 667 היא מערכת מרובת כוכבים בה שלושה כוכבים המסומנים באותיות A,‏ B ו־C, ולהם סיווג ספקטרלי של K3V,‏ K5V ו־M1.5V בהתאמה. מאז הגילוי של האקזופלנטה הראשונה במערכת נעשו ניסיונות לבניית מודל יציב של המערכת עבור ארבעה וחמישה כוכבי לכת. על פי המודל העדכני ביותר עבור שבעה כוכבים, סביב הכוכב גליזה 667C סובבים לפחות חמישה כוכבי לכת ודאיים ושניים בלתי מאושרים, כאשר שלושה מהם בגודל סופר־ארץ ובטווח האזור הישיב. מוערך כי כוכב הלכת גליזה 667Cc מקבל מכוכב האם שלו 90% מהקרינה שכדור הארץ מקבל מן השמש, ושחלק גדול מהקרינה הזו היא בתחום התת־אדום ולא בתחום האור הנראה.

קפלר־62f,e

קפלר־62 (Kepler-62) הוא כוכב מסוג K2V שבטווח האזור הישיב שלו נמצאים כוכבי הלכת קפלר־62e וקפלר־62f. מלבד הימצאותם באזור הישיב, הגודל שלהם קטן דיו (1.4 ו־1.6 רדיוסי ארץ) כדי לאפשר להם להיות ארציים או מכוסי אוקיינוס עם ליבה מוצקה. רוב כוכבי הלכת שהתגלו קודם לכן הם גדולים בהרבה מכדור הארץ ולכן בעלי סיכוי רב יותר להיות דומים לצדק או לנפטון, ואילו השניים בעלי סיכוי רב יותר להיות דמויי ארץ. טמפרטורות שיווי המשקל של כוכבי הלכת e,‏ f הן 270K, 208K בהתאמה (‎-65°C,‏ ‎-3°C) ומשך הקפת כוכב האם שלהם הוא 122, 267 יממות ארציות בהתאמה.

קפלר־69c

קפלר־69 (Kepler-69) הוא כוכב הסדרה הראשית מסוג G, כלומר הוא דומה מאוד לשמש. סביבו חג כוכב הלכת קפלר־69c, אשר הרדיוס שלו הוא 1.7 רדיוסים של כדור הארץ וזמן ההקפה שלו הוא 242.5 יום. עם הגילוי שלו בשנת 2013 הוא עורר עניין ככוכב דמוי ארץ, אולם מיקומו בגבול הפנימי של האזור הישיב הופך אותו לדומה יותר לנוגה.