Согласно результатам нового научного исследования, количество света от красных карликов, доступного для фотосинтеза, недостаточно велико, чтобы вызвать насыщение кислородом атмосферами планет, вращающихся вокруг них. Однако, в работе присутствуют значительные ограничения, которые ставят под сомнение столь категоричный вывод.
Приблизительно три четверти всех известных звезд во Вселенной — это красные карлики. Анализ данных, полученных с космических телескопов, демонстрирует, что вокруг них находится большое количество планет, схожих по своим размерам и плотности с Землей. Это же характерно и для ближайшей к нам звезды, Проксимы Центавра. Подобное положение дел значительно усложняет парадокс Циолковского-Ферми, поскольку наводит на мысль о широком распространении жизни во Вселенной. Однако, никаких очевидных признаков посещения нас внеземными цивилизациями пока не обнаружено.
На протяжении многих лет астрономы и астрофизики пытались найти объяснение тому, почему красные карлики, казалось бы, не пригодны для жизни, и выдвигали различные аргументы в пользу их необитаемости. Некоторые исследователи считали, что мощные вспышки, характерные для этих звезд, способны разрушить атмосферу планет. Это предположение выглядело убедительно, однако наблюдения, сделанные с помощью телескопов, продемонстрировали, что у многих планет, вращающихся вокруг красных карликов, на самом деле существуют достаточно плотные атмосферы. Другие ученые полагали, что эффект приливного захвата, при котором планета всегда обращена к звезде одной стороной, делает ее непригодной для жизни. Но последующие расчеты показали, что атмосфера, схожая с земной, способна предотвратить перегрев светлой стороны планеты и переохлаждение темной.
Теперь ученые из США выдвинули новую проблему для существования жизни вокруг красных карликов — по крайней мере, сложной жизни. В своей работе, которую они выложили на сервере препринтов Корнеллского университета, они обратились к спектру излучения таких звезд.
Изучая, к примеру, красный карлик TRAPPIST-1 — малое и тусклое светило, вокруг которого обращаются несколько планет, схожих с Землей по своим размерам, — ученые установили, что фотосинтетически активное излучение этой звезды составляет всего 0,9% от солнечного. Это означает, что планете, получающей от этого светила такое же количество энергии, как Земля от Солнца, растения будут получать примерно в 110 раз меньше энергии для фотосинтеза.
Невозможно устранить эту проблему, изменив орбиту планеты, вращающейся вокруг красного карлика, путем её сближения с ним: в этом случае инфракрасное излучение от карлика приведет к перегреву планеты и потере ею жидкой воды, делая её непригодной для существования жизни. Авторы исследования пришли к выводу, что при таком уровне освещения формирование даже слабокислородной атмосферы, подобной земной несколько миллиардов лет назад, потребует 63 триллиона лет. Это значительно превышает возраст Вселенной. Таким образом, красные карлики не могут быть источником парадокса Циолковского-Ферми, поскольку за время существования Вселенной у них просто не было возможности для формирования сложной жизни.
По мнению ученых, в их расчетах присутствуют определенные недочеты. В частности, при повышении интенсивности освещения выше установленного порога возникает фотоингибирование, что приводит к остановке процесса фотосинтеза. Следовательно, растениям для нормального фотосинтеза не требуется полный спектр солнечного излучения. Также исследователи подчеркивают, что если растения, находящиеся в системах планет вокруг красных карликов, способны улавливать электромагнитные волны, длина которых на 50 нанометров превышает длину волн, соответствующих красному цвету, то они получат в два с половиной раза больше фотосинтетически активного излучения.
Учитывая эти факторы, время, необходимое для насыщения атмосферы кислородом, может уменьшиться до 1-5 миллиардов лет. На самом деле, существует множество красных карликов, возраст которых превышает этот показатель, включая и ближайшую к нам звездную систему. Тем не менее, путь от насыщения кислородом до уровня, существовавшего на Земле два миллиарда лет назад, и возникновения сложной жизни весьма протяжен: за указанный период концентрация кислорода в атмосфере увеличилась в значительной степени.
Исследователи зафиксировали, что отдельные фотосинтезирующие бактерии, не выделяющие кислород, обладают способностью осуществлять фотосинтез, используя близкое к инфракрасному излучение с длиной волны до 1100 нанометров. Это позволяет им улавливать в 22 раза больше энергии, исходящей от красного карлика, по сравнению с растениями. Соответственно, такие фотосинтетики, вероятно, будут преобладать в экосистеме красного карлика. Однако в этом сценарии формирование кислородной атмосферы может быть невозможным, поскольку фотосинтез, не сопровождающийся выделением кислорода, не приводит к её образованию.
Несмотря на то, что исследователи представили интересный взгляд на рассматриваемую проблему, в работе присутствуют определенные недостатки, касающиеся биологических аспектов. Проблема заключается в том, что даже на Земле не наблюдается прямой зависимости между уровнем насыщения кислородом и освещенностью. Точка равновесия, при которой фотосинтезирующий организм производит столько же кислорода, сколько потребляет, значительно варьируется в зависимости от вида. Растения, предпочитающие яркий свет, нуждаются в освещении, составляющем несколько процентов от освещенности ясного дня на Земле, в то время как теневыносливые виды, например, папоротники, достигают этой точки при освещении, равном до 0,5 процента от земного ясного дня. Таким образом, даже они могли бы производить кислород в условиях планеты, вращающейся вокруг красного карлика.
Существуют также значительно более продуктивные организмы. К примеру, микроводоросли, обитающие под ледяным покровом высоких широт начинают нарабатывать больше кислорода, чем берут для дыхания в месяц равноденствия, при уровне освещения в десятки тысяч раз ниже типичного ясного дня. Их аналоги на других мирах вполне могут быть еще менее требовательными. Но даже если они имеют те же способности, эти микроводоросли будут нарабатывать кислород в условиях красных карликов как минимум не слабее, чем у себя подо льдами. Сами по себе уровни в 0,9 процента от земной фотосинтетически активной радиации не будут каким-то непреодолимым препятствием для успеха наработки кислорода в других мирах.
Стоит напомнить, что на Земле существуют экосистемы, производительность которых по кислороду не превышает его потребления – к примеру, тропические леса Амазонии. В отличие от них, арктические микроводоросли вырабатывают кислород в избытке, поскольку после гибели опускаются на дно, не подвергаясь гниению на поверхности, как это происходит с деревьями на суше. Это свидетельствует о том, что строгие числовые ограничения на концентрацию кислорода в атмосфере планет представляются весьма условными.