Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Итак, мы видим, что исследования экзопланет сейчас развиваются очень активно. Пока еще мы не можем с полной уверенностью судить о том, какого типа планеты в каких условиях формируются. К августу 2010 года число экзопланет превзошло 475. Большинство из них — гиганты.

Чаще других открываемые газовые гиганты, близкие к своей звезде, кажутся совершенно непригодными для жизни. Если даже в их атмосферах обнаружатся вода, кислород или другие важные атомы или простые молекулы, то все равно для жизни там нет места. Однако не так давно были найдены две планеты, которые впервые могут оказаться, хотя бы в принципе, пригодными для жизни, пусть и с узкой зоной комфорта.

В 2005 году сообщалось о планете, обращающейся вокруг Gliese 581. Это была планета с массой Урана и орбитальным периодом около 5,3 суток. Как мы уже говорили, в 2007 году в этой же системе открыли еще две планеты с массами 5 и 7 масс Земли. Самое интересное заключается в том, что обе новые планеты расположены в зоне жизни красного карлика Gliese 581. Первая из них, вероятно, синхронно вращается в результате приливного захвата, а вторая находится вблизи границы зоны жизни.

Когда мы говорим о жизни, удобно ограничиться некоторыми простыми требованиями. В частности, условия на планете должны быть такими, чтобы вода оставалась в жидком состоянии какое-то разумное время. Она может замерзать зимой, и мы знаем, что для жизни это не так уж страшно, но она никогда не должна закипать. При нормальном атмосферном давлении температурный диапа-зон для жидкой воды составляет от о до 100 °C. Точка замерзания почти нечувствительна к изменению давления, а вот точка кипения весьма чувствительна. Если бы давление воздуха удвоилось, температура кипения стала бы равной 121 °C. Температурный диапазон от о до 50 °C выглядит наиболее подходящим не только для жизни, но и для стабильного водного мира.

Если мы знаем светимость звезды и расстояние от нее до планеты, мы можем оценить температуру планеты в состоянии теплового равновесия. При этом нужно учитывать альбедо (отражательную способность) и вращение планеты. Немалую роль при оценке температуры на поверхности играет и парниковый эффект, но его трудно определить без дополнительной информации о планете. В Солнечной системе, приняв для альбедо значение 0,5 (среднее между значениями Венеры и Земли), предположив медленное вращение планеты (как у Земли и Марса) и нулевой парниковый эффект, получим зону жизни от 0,75 до 1,05 а. е. Если альбедо равно 0,2, как у Марса, то зона жизни лежит между 0,95 и 1,32 а. е. Расстояние Земли от Солнца находится как раз в этих пределах. Увеличив альбедо, мы можем приблизить зону жизни к Солнцу, а уменьшив — отдалить ее. Однако нужно помнить и о парниковом эффекте.

В процессе эволюции звезды ее светимость меняется. За время жизни Солнечной системы светимость Солнца возросла примерно на 30 %. Когда в прошлом Солнце грело слабее, зона жизни была ближе к нему (на корень квадратный из светимости). При альбедо 0,5 ближняя граница передвинется на 0,66 а. е., а при альбедо 0,2 верхняя граница будет равна 1,6 а. е.; но Земля все равно остается в пределах зоны. Интересно отметить, что молодая Венера была хорошим местом для жизни; а Марсу, чтобы оказаться в зоне жизни, нужно было всегда иметь сильный парниковый эффект. В будущем, когда светимость Солнца возрастет, зона жизни сдвинется наружу, постепенно захватывая Юпитер и Сатурн. Для новых экзопланет оценки зон жизни можно сделать, опираясь на приведенные выше числа, масштабируя их пропорционально квадратному корню из светимости звезды. Что это означает? Если светимость звезды больше, то зона жизни будет на большем расстоянии. Для звезды, светимость которой в 9 раз превышает светимость Солнца, зона жизни будет на расстоянии около 3 а. е.

Такое определение зоны жизни кажется очевидным, но оно исключает некоторые потенциально возможные для жизни места в Солнечной системе, такие как спутник Юпитера Европа и спутники Сатурна Титан и Энцелад. Там могут быть водные океаны с пригодными для жизни областями типа «черных курильщиков», которые не зависят от Солнца, пока существуют внутренние источники тепла. Кроме того, на холодной периферии планетной системы, за пределом классической зоны жизни, возможно наличие полностью хемотрофных форм жизни, получающих энергию от химических реакций, а не от солнечного излучения. При рассмотрении вопроса о жизни в других планетных системах нужно помнить о таких возможностях.

Второе, что необходимо для жизни, это защита от космического вакуума и от потоков высокоэнергичных частиц и космических лучей. Защитой для жизни может стать твердая оболочка, например слой льда (как на Европе), или же атмосфера и магнитосфера (как на Земле). В связи с этим возникают интересные проблемы для планет у звезд-карликов спектрального класса М. Например, светимость красного карлика Gliese 581 настолько мала, что планета, чтобы оказаться в его зоне жизни, должна располагаться чрезвычайно близко от звезды. При столь малом расстоянии под влиянием приливного эффекта суточное вращение планеты синхронизируется с ее орбитальным движением, и поэтому она всегда окажется повернута к звезде одной своей стороной (как Луна к Земле). На противоположной стороне планеты будет вечная ночь. На этой холодной стороне не слишком массивная атмосфера просто осядет в виде снега. Только толстая атмосфера с эффективной циркуляцией может спасти планету от гибели.

Спектральный тип звезды тоже имеет большое значение для развития жизни. Особенно важны три характеристики. Первая — это время пребывания звезды на главной последовательности. Звезды спектральных классов от О до А, проводящие на ней менее 2 млрд лет, не оставляют планете времени для того, чтобы жизнь смогла развиться до фотосинтеза. Вторая важная характеристика — ультрафиолетовый поток, губительный для жизни. Он особенно силен у звезд тех же спектральных классов. С другой стороны, планеты у карлика спектрального класса М имеют в своем распоряжении достаточно времени. Но если жизнь родилась на такой планете, то наряду с проблемой синхронизации вращения из-за прилива может возникнуть и третья проблема, связанная с переменностью звезды. Карлики спектрального класса М, как правило, имеют активные хромосферы и демонстрируют частые вспышки. Поэтому приемлемыми для жизни остаются только звезды спектральных классов F, G и К.

В нашей Галактике не все области одинаково хороши для жизни. В звездном гало и во внешних областях диска обилие металлов низкое, а значит, условия для формирования планет и появления жизни на них неблагоприятные. Во внутренней части Галактики много молодых высокоэнергичных звезд. Там чаще происходят вспышки сверхновых и другие катастрофические явления. Это не препятствует формированию планет, но частые эпизоды частичного или полного вымирания биосферы могут помешать нормальному развитию жизни.

Резюмируя, можно перечислить астрономические условия, которые, как мы полагаем, необходимы для жизни: температура, при которой может существовать жидкая вода; защита от вакуума и вредного излучения, а также звезда приемлемого спектрального класса, расположенная в том месте своей галактики, где достаточно много металлов и минимум катастрофических явлений.

Как может выжить маленькая каменистая планета в бурном круговороте эпохи формирования планетной системы? Гигантская планета, довольно медленно перемещаясь по радиусу в процессе миграции II типа, с большой вероятностью должна «смести» все маленькие планеты. Гигант может поглотить их или выбросить на новые орбиты на ранней стадии формирования. Тем не менее некоторые маленькие планеты все же могут пережить эту эпоху. И, разумеется, вовсе не очевидно, что в каждой планетной системе есть планета-гигант.

Однако гигантские планеты на очень вытянутых орбитах действительно опасны для планет типа Земли, поскольку весьма вероятно, что все планеты, движущиеся между крайними точками орбиты гиганта, рано или поздно испытают тесное гравитационное взаимодействие с ними. В этом случае планета типа Земли либо перейдет на другую орбиту, либо вообще будет выброшена из планетной системы. Такое изменение орбиты вредно для жизни на любой ее стадии, поэтому маловероятно обнаружение «живой» планеты в системе, где планета-гигант движется по вытянутой орбите.

Даже если сами газовые гиганты непригодны для жизни, следует учитывать вероятность того, что спутники этих гигантов могут быть по размеру близки к Земле и иметь пригодные для жизни условия, разумеется, если планета и ее спутники находятся в зоне жизни звезды.

Планеты с биосферами будут иметь некоторые общие свойства. Вероятно, на них окажутся существа с ДНК и белками. Жизнь будет основана на воде и т. д. Впрочем, возможны и некоторые исключения. Но если на планете есть жизнь, то непременно должны быть признаки неравновесного состояния атмосферы. На Земле это означает кислород и озон. В другом месте это может быть другая комбинация газов, но если мы не знаем, какая именно, то лучше искать кислород и озон. Следующее вещество, которое требует внимания, — это вода. Все перечисленные индикаторы есть в нашей атмосфере, но их нет, например, у Марса и Венеры.