В июне 2020 года канадские астрономы подсчитали, что в Млечном Пути может находиться пять миллиардов планет, сопоставимых с Землей и обращающихся вокруг звезд, аналогичных Солнцу. Однако это лишь приблизительная оценка общего числа обитаемых планет. Вокруг звезд иных типов их может быть значительно больше, и сами условия на экзопланетах в других системах потенциально могут быть более подходящими для существования жизни, чем на нашей планете. Попробуем разобраться в причинах.
Существуют звезды различных типов. Более массивные звезды, такие как желтый карлик Солнца (спектральный класс G2) или белая звезда Сириус А (спектральный класс А1), наблюдаемы на значительных расстояниях, измеряемых в световых годах. При этом, с увеличением массы светимость звезд возрастает не пропорционально: Сириус лишь в два раза массивнее Солнца, но излучает в 25 раз больше света.
Красные карлики также могут значительно отличаться друг от друга: наиболее массивные представители этого класса (M0) лишь в несколько раз уступают Солнцу по массе, но их светимость составляет около 15% от солнечной. А самые маломощные красные карлики (M9) обладают массой, которая в 12 раз меньше солнечной, и их светимость значительно ниже – в тысячи раз.
Это приводит к тому, что красные карлики, окружающие Землю (и всю Вселенную), остаются практически незаметными: их количество огромно, однако наблюдать за ними затруднительно. Ближайшая к нашей планете звезда, Проксима Центавра, является именно таким карликом: несмотря на небольшое расстояние в 4,3 световых года, ее невозможно увидеть без специальных приборов. Точное количество подобных объектов во Вселенной определить непросто. Оценки варьируются от 70% до 90% от общего числа звезд – при этом большинство оценок сближаются с показателями 75-76%.
Для оценки количества планет, сходных с Землей, вращающихся вокруг звезд, классифицируемых как желтые карлики, канадские астрономы проанализировали данные, полученные с космических телескопов, которые запечатлели изображения 200 тысяч звезд. У них вышло, по оценкам ученых, желтые карлики составляют около 7% от общего числа звезд (примерно 400 миллиардов) в нашей Галактике, что составляет 28 миллиардов звезд. На основе информации о распространенности планет у звезд класса G, предполагается, что в 18% таких звездных систем может присутствовать планета земного размера, расположенная в зоне обитаемости. Общее количество таких планет может достигать пяти миллиардов.
Рассмотрим теперь эту ситуацию, фокусируясь не на звездах типа нашего Солнца (желтых карликах), а на оранжевых (составляющих 12% всех звезд) и красных (76%). Таким образом, в Млечном Пути насчитывается приблизительно 300 миллиардов только красных карликов, что в 11 раз превышает количество желтых. Согласно расчетам других астрономических групп, планет, схожих по массе с Землей и расположенных в зоне обитаемости, вокруг них наблюдается значительное количество. Около 40% красных карликов могут обладать такими экзопланетами, что предполагает до 120 миллиардов потенциально обитаемых планет вокруг этих звезд.
Обнаружение небесного тела в потенциально обитаемой зоне само по себе не является свидетельством существования там жизни. Главный вопрос, который волнует современных исследователей экзопланет: действительно ли эти миры обладают условиями, подходящими для жизни?
Что не так со светом красных карликов
Несмотря на название, на планете, вращающейся вокруг красного карлика, небесный свод не будет казаться красным. Это связано с особенностями человеческого зрения, которое воспринимает фотоны разных длин волн от источника света и формирует не истинный цвет объекта, а его синтетическое изображение. Ярким примером является наше Солнце. Оно преимущественно излучает энергию в зеленой области видимого спектра. Для подтверждения этого достаточно взглянуть на растительность: она обладает такими свойствами, чтобы эффективно отражать эту часть солнечного излучения и предотвращать перегрев при переходе из тени на солнце.
Аналогичная ситуация наблюдается с лампочкой накаливания и красным карликом. Их фактический цвет – красный, однако мы видим их как охряно-желтый. Если же на планетах с охряно-желтым Солнцем существует жизнь, то высокоразвитая наземная растительность там, вероятно, будет иметь красный цвет, поскольку ей будет сложно адаптироваться к внезапным изменениям освещения, вызванным облаками.
Ранее некоторые ученые считали, что для растений на планетах, вращающихся вокруг красных звезд, красное и инфракрасное излучение может стать существенной проблемой. Это связано с тем, что энергия фотонов в этом диапазоне ниже, чем у зеленого света, который преобладает в излучении Солнца. Возникает вопрос: достаточно ли красного света и инфракрасного излучения для фотосинтеза? Действительно, известно, что обычный хлорофилл плохо поглощает световые волны в дальней красной части спектра (с длиной волны 700 нанометров и более)?
Кислород может образовываться и без участия хлорофилла. Например, у бактерий есть белок бактериородопсин, функционально схожий с родопсином, который позволяет нам воспринимать свет. Однако бактериородопсиновый фотосинтез обычно не приводит к образованию кислорода, и, следовательно, не может служить основой для формирования сложной биосферы, включающей кислорододышащие многоклеточные организмы.
Неужели излучение красных звезд не способно поддерживать сложную жизнь? Чтобы найти ответ на этот вопрос, нет необходимости отправляться к далеким звездам. В 2010 году на западном побережье Австралии открыли хлорофилл f (примерная описательная формула C55H70O6N4Mg).
В отличие от других форм хлорофилла, этот тип обеспечивает традиционный фотосинтез с выделением кислорода, однако он реагирует только на фотоны с длиной волны до 720 нанометров. Использование этого хлорофилла фотосинтезирующими организмами, обитающими в воде, объясняется тем, что вода эффективно поглощает электромагнитное излучение с меньшей длиной волны. Поэтому для них зачастую более целесообразно использовать именно дальнюю часть красного спектра.
Вспышки погубят все живое?
Астрономы часто обращают внимание на еще одну характеристику красных карликов – их подверженность мощным вспышкам, подобные которым наше Солнце демонстрировало лишь на ранних этапах своего существования. В период таких событий происходит резкое увеличение интенсивности рентгеновского и ультрафиолетового излучения от звезды – настолько значительное, что, по некоторым оценкам, оно способно уничтожить жизнь на поверхности вращающейся вокруг нее планеты.
В связи с этим, астрономы предприняли попытку оценить возможные последствия мощных УФ- и рентгеновских вспышек, испускаемых маломассивными звездами. Согласно их расчетам, некоторые планеты, находящиеся в зоне обитаемости красного карлика TRAPPIST-1 (расположенного на расстоянии 39,6 световых лет от Земли), могли потерять воду в объеме, эквивалентном 15 земным океанам. Процесс потери воды объясняется следующим образом: ультрафиолетовое излучение приводит к распаду молекул водяного пара на водород и кислород. Водород, будучи очень легким, быстро покидает планету и уходит в космос.
Недавно было установлено, что фактический уровень ультрафиолетового излучения во время вспышек у звезды TRAPPIST-1 в 50 раз превышает прежние оценки, используемые для расчета потенциальной потери воды. Получается мрачная перспектива: землеподобные планеты, вращающиеся вокруг красных карликов, вероятно, будут лишены воды по сравнению с Землей, а интенсивное УФ-излучение во время вспышек, по всей видимости, способно уничтожить любую жизнь, существующую на их поверхности.
Рассмотрим же фактические характеристики семи планет системы TRAPPIST-1. Являются ли они действительно такими сухими? В обитаемой зоне находятся сразу три планеты – TRAPPIST-1e, f и g. Плотность первой составляет 1,024 земной, второй – 0,816 земной, а третьей – 0,759 земной. Заметно, что две из трех планет, вероятно, содержат значительно больше легких элементов, чем наша Земля. Для планет, близких к ней по массе, вода является основным источником таких легких компонентов, поскольку гравитация этих тел не позволяет удерживать крупную водородную или гелиевую атмосферу.
Возможно, исключение составляют только планеты в системе TRAPPIST-1? Однако и в других системах с красными карликами планеты, находящиеся в зоне обитаемости, обычно обладают плотностью, сравнимой с плотностью Земли или даже меньшей. Это означает, что они не могут быть полностью лишенными воды – даже учитывая интенсивные вспышки УФ- и рентгеновского излучения.
Каким образом им удавалось сохранять воду и поддерживать условия для существования жизни
Астрономы до сих пор не могут объяснить, почему мы видим такую ситуацию сегодня. Ультрафиолетовое излучение приводит к распаде водяных молекул, и предполагается, что потеря воды на Марсе была вызвана воздействием солнечного УФ-излучения.
Существуют две основные гипотезы, объясняющие, почему планеты, вращающиеся вокруг красных карликов, сохранили воду.
Первый сценарий можно охарактеризовать как «пока один истощается, другой исчезнет». Причина этого в том, что большинство систем с красными карликами, имеющих открытые планеты, выглядят неправдоподобно. Планеты в этих системах расположены необычайно близко друг к другу и к своей звезде. Ближайшая из семи планет системы TRAPPIST-1 находится на расстоянии всего 1,73 миллиона километров от звезды, а самая дальняя – всего 9,27 миллиона километров. Представьте: семь планет, разделенные лишь 7,54 миллиона километров!
Семь планет Солнечной системы, расположенных ближе всего к звезде, находятся на орбитах, простирающихся от 58 миллионов километров (Меркурий) до 2,88 миллиарда километров. Расстояние между ними в пространстве в 370 раз больше, чем у экзопланет TRAPPIST-1. В пространстве между Меркурием и Солнцем можно было бы разместить семь семипланетных систем, подобных TRAPPIST-1, и даже оставалось бы свободное пространство.
Красные карлики значительно меньше нашего Солнца. Их протопланетные диски также должны быть меньше, хотя и не в 370 раз. Это побуждает ученых полагать, что планеты у красных карликов могут формироваться на более отдаленных орбитах, а затем перемещаться ближе к звезде. Перемещение, аналогичное тому, что мы описывали в январском номере нашего журнала, касающемся Солнечной системы, – но более масштабное.
Изначально на планетах, находящихся в обитаемой зоне вокруг небольших звезд, концентрация легких элементов будет значительно выше, чем на Земле. Даже если интенсивные звездные вспышки приведут к потере значительного количества воды, водные ресурсы таких планет останутся не ниже, чем на нашей планете.
Озоновый слой представляет собой второй фактор, обеспечивающий выживание в условиях ультрафиолетового излучения. Согласно расчетам астрономов, наличие значительной кислородной атмосферы и стабильный озоновый слой способны сдерживать УФ-излучение, даже во время интенсивных вспышек. В результате, средний уровень УФ-излучения, достигающий поверхности планеты земного типа в системе красного карлика, не превысит земной. Это утверждение особенно актуально для планет с более плотной атмосферой, чем у Земли.
Сценарий имеет один существенный недостаток: для его реализации требуется значительное количество свободного кислорода. На Земле он начал формироваться лишь спустя миллиарды лет после образования планеты, благодаря фотосинтезирующим организмам, генерирующим кислород (как уже отмечалось ранее, не все фотосинтезирующие организмы производят кислород). Однако, как мог образоваться серьезный озоновый слой на молодых планетах, если ультрафиолетовое излучение уничтожает всю жизнь на их поверхности?
Даже небольшой слой воды обеспечивает существенную защиту для живых организмов от ультрафиолетового излучения. Фотосинтезирующие организмы, развивающиеся в водной среде, не подвержены воздействию УФ-лучей. С появлением кислорода, образованного в результате фотосинтеза, условия на суше также становятся более безопасными благодаря снижению уровня ультрафиолета).
Может ли жизнь существовать в условиях приливной блокировки: сценарий с неподвижным Солнцем?
Критики напомнят о другой, часто упоминаемой проблеме планет у красных карликов – приливное захватывание. Как мы уже продемонстрировали ранее, расстояние от типичной обитаемой планеты в подобной системе до её звезды составляет всего несколько миллионов километров. В таких условиях, расположенные рядом планеты будут казаться небесными светилами, подобными лунам, а собственные спутники – значительно превосходить по яркости земной Луны.
Близость к звезде приводит к тому, что ее гравитационное воздействие неизбежно «зафиксирует» ее планеты. Подобно тому, как Земля удерживает Луну, заставляя ее всегда обращать к нам одной стороной, красные карлики, скорее всего, будут постоянно освещать только одну сторону потенциально обитаемых планет, в то время как другая сторона погрузится в вечную темноту. Этот эффект известен как приливное захватывание звезды и планеты. Существует вопрос: не приведет ли постоянное воздействие солнечного света к гибели жизни на освещенной стороне, а не приведет ли отсутствие света к ее замораживанию на противоположной?
Несколько лет назад, когда астрономы впервые применили подробные модели поведения атмосфер экзопланет, был получен ответ на этот вопрос, позволяющий понять, что произойдет с ними при приливном захвате.
Постоянный нагрев неизбежно вызывает образование мощных восходящих тропосферных потоков и плотную облачность в области, напоминающей «подсолнух». Облачный покров настолько плотный, что перегрев «подсолнечной» стороны экзопланеты оказывается невозможным. Более того, восходящие потоки обладают достаточной силой, чтобы нагретые воздушные массы впоследствии быстро перемещались в область «теневой», постоянно темной стороны планеты. Таким образом, температурное распределение на подобном небесном теле будет лишь незначительно отличаться от земного, несмотря на то, что часть поверхности никогда не освещается местным светилом.
Конечно, это не означает, что биосфера планет у красных карликов будет развиваться аналогично нашей. Общая биопродуктивность, вероятно, будет сопоставима: на освещенной стороне фотосинтез будет происходить в течение всех часов местного дня, а не в течение половины дня, как на Земле. Однако на постоянно затененной стороне привычные нам фотосинтезирующие организмы не смогут стать доминирующей формой жизни. Там будут преобладать хемоавтотрофы – организмы, использующие для поддержания жизни разложение различных веществ. Это будет весьма необычная часть планеты – маловероятно, что туда когда-либо проникнут развитые животные, обитающие на освещенной стороне. Жизнь будет вынуждена существовать у гидротермальных источников под водой и вблизи вулканов на суше.
На Земле встречаются фотосинтезирующие организмы, способные существовать без солнечного света. Это зеленые серобактерии, которые обитают на глубинах до 2,4 километра, где отсутствует солнечный свет. Для получения энергии они используют слабое свечение, исходящее от близлежащих гидротермальных источников. Источником энергии этого свечения является нагрев соединений, выходящих из недр планеты, поэтому используемый серобактериями свет имеет красный цвет, а также включает часть инфракрасного диапазона.
Вероятно, «тепловые» фотосинтетики могут существовать и на теневых сторонах планет у красных карликов. Однако, очевидно, что на такой основе не может возникнуть сложная жизнь: теневая сторона навсегда останется средой обитания для примитивных организмов.
Суперобитаемые миры
У красных карликов есть характеристики, которые ученые считают благоприятными для существования жизни. Даже самые массивные из них (с массой, равной четверти массы Солнца), существуют не менее триллиона лет. Наиболее маломассивные красные карлики могут просуществовать более 10 триллионов лет. Следует отметить, что слово «существуют» используется для обозначения продолжительности жизни звезды, поскольку возраст Вселенной составляет всего 14 миллиардов лет, а значит, ни один красный карлик еще не завершил свой жизненный цикл и не трансформировался в голубой, а затем в черный карлик.
Длительный срок жизни красных карликов обусловлен низким потреблением водорода и их неспособностью, из-за небольших размеров, перейти в стадию красного сверхгиганта, какой станет Солнце через пять миллиардов лет. Это предопределяет необходимость предоставления им значительного времени для эволюции, если на них существует биосфера. На Земле сложная наземная жизнь с развитой растительной и животной средой существует лишь около полумиллиарда лет. Если человечество не разработает принципиально новые технологии, то через миллиард лет эта жизнь прекратится, поскольку светимость Солнца продолжает увеличиваться.
В теории, на Земле функционирует своего рода «углеродный кондиционер», который предотвращает перегрев планеты. Избыточное солнечное излучение способствует более быстрому связыванию углекислого газа в атмосфере с горными породами, что приводит к ослаблению парникового эффекта и снижению температуры до нормального уровня.
Снижение концентрации углекислого газа представляет собой серьезную опасность. Во время последнего ледникового периода его содержание в атмосфере составляло 180 частей на миллион, однако гибель всех деревьев начнется уже при уровне в 150 частей на миллион. Хотя некоторые травянистые растения способны осуществлять фотосинтез при еще более низких концентрациях, ниже 50 частей на миллион практически все сложные растения начнут погибать.
Люди обладают потенциалом для решения задачи постепенного увеличения излучения нашего Солнца, например, путем размещения на орбите крупные зеркала, которые будут отражать часть солнечной энергии. Однако, подобная проблема не актуальна для красных карликов, поскольку для развития сложной жизни им потребуется не 1,5 миллиарда лет, а как минимум сотни миллиардов. Для маломассивных красных карликов, таких как TRAPPIST-1, речь идет о триллионах лет.
Это представляет собой значительное преимущество для развития большинства сложных биосфер. Благодаря своей продолжительности, которая может превышать земную в сотни или даже тысячи раз, она предоставляет высокую вероятность эволюции к более сложным формам жизни. Возможно, даже к разумным существам?
Заповедник стабильных температур
В отличие от других звёзд, красные и, в меньшей степени, оранжевые карлики не подвержены ледниковым периодам.
Ранее подобные явления были нехарактерны для Земли. Регулярно они стали происходить лишь около двух миллионов лет назад, в то время как до этого планета отличалась более высокой температурой. Пять миллионов лет назад на побережье Антарктиды произрастали буковые рощи, а Новая Земля три миллиона лет назад была покрыта широколиственными лесами. Снижение концентрации углекислого газа в атмосфере привело к тому, что планета вступила в период климатической нестабильности, не свойственный ей ранее.
Периодически, с интервалом в десятки тысяч лет, ледниковые периоды охватывают области, расположенные ближе к экватору, что приводит к существенному снижению продуктивности биосферы. Причина не только в понижении температур, но и в уменьшении количества осадков, что приводит к опустыниванию планеты. Всего лишь 20 тысяч лет назад более половины суши Земли представляло собой либо арктические, либо песчаные пустыни.
У красных карликов описанный сценарий не реализуется из-за их более стабильного климата. Инфракрасного излучения, составляющего чуть менее половины от общей энергии, испускаемой Солнцем, не отражается водным льдом, а поглощается им, что вызывает его таяние. Остальная часть энергии солнечного излучения, находящаяся в видимом и УФ-диапазонах, напротив, эффективно отражается льдами в космическое пространство, что приводит к усиленному охлаждению Земли. Таким образом, начало процесса оледенения запускает положительную обратную связь: увеличение количества льда влечет за собой дальнейшее понижение температуры планеты и, как следствие, увеличение ледяного покрова. И этот цикл повторяется.
У красных карликов до 95% энергии излучается в инфракрасном диапазоне, что исключает возможность существенного охлаждения планет за счет льда. Поэтому даже временное появление льда, например, после вулканической или астероидной активности, или кратковременного снижения звездной активности, является эпизодическим и недолговечным. Долгосрочных ледниковых периодов на таких планетах не формируется.
Это подразумевает не только более высокую продуктивность биосферы по сравнению с Землей, но и более быстрое восстановление после крупных вымираний. На основе опыта нашей планеты, такие события, как вымирание динозавров или Великое вымирание конца перми, происходят во время похолоданий и расширения ледниковых шапок. Однако на маломассивных звездах эти процессы протекают быстрее, что может привести к менее глубоким массовым вымираниям видов по сравнению с тем, что наблюдается на Земле.
В заключение, последние научные данные свидетельствуют о том, что угрозы для жизни на планетах у красных карликов были значительно переоценены. Анализ их состава показывает высокое содержание легких элементов, что указывает на обилие воды. На многих из них отсутствует как экстремальный холод вечно теневого полушария, так и перегрев, характерный для всегда освещенной стороны.
Во Вселенной их значительно больше – в дюжину раз превышающих количество планет, вращающихся вокруг желтых карликов. Соответственно, теоретически, число «краснозвездных» биосфер также должно быть примерно в такое же соотношение больше. Около 50 миллиардов потенциально обитаемых планет в нашей Галактике – более 40 из них обращаются вокруг красных и оранжевых карликов, а всего лишь пять – вокруг звезд, подобных нашему Солнцу.
Суть в том, что экзопланет земного типа, вращающихся вокруг красных звезд, гораздо больше. Кроме того, сложная жизнь на обитаемых планетах красных звезд сможет существовать на порядок дольше, чем на нашей. Таким образом, подавляющее большинство живых организмов, вероятно, населяют именно такие миры, а не «двойники Земли».