Стареющие звёзды, которые становятся красными гигантами, увеличивают свою светимость и могут посеять хаос на планетах, которые когда-то находились в зонах обитаемости звезды. Когда Солнце станет красным гигантом и расширится, его зона обитаемости увеличится, а значит, Земля, скорее всего, лишится атмосферы, воды и жизни. Но для планет, расположенных ещё дальше, время пребывания в обитаемой зоне только начнётся.
Хватит ли времени для возникновения жизни на этих планетах, ставших вдруг пригодными для жизни?
Хотя существует множество способов определения пригодности планеты для жизни, большинство исследователей ориентируются на условия, похожие на земные. Планета, получающая необходимое количество энергии от своей звезды, может содержать жидкую воду, если у неё есть подходящие атмосферные условия. Обитаемость Земли сохранялась миллиарды лет, пока Солнце находилось на главной последовательности.
Но звёзды стареют. У звёзд главной последовательности заканчивается топливо, и они переходят в гигантскую ветвь. Их светимость растёт, нагревая планеты и спутники, которые раньше были заморожены, и позволяя жидкой воде сохраняться на их поверхности. Так наступает период обитаемости. Когда светимость звезды продолжит расти, эти планеты станут слишком тёплыми, что положит конец их обитаемости. Но так продолжается недолго. В конце концов звезда переходит на горизонтальную ветвь, и её светимость снова уменьшается. В этот период зона обитаемости снова смещается внутрь, и эти ранее замороженные внешние миры могут вступить во второй период обитаемости.
Новое исследование рассматривает эти смещающиеся обитаемые зоны и планеты и спутники, оказавшиеся в них. Его название — «Множественные фазы обитаемости на внешних экзосолнечных мирах». Исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal, а его ведущий автор — Виктор Спаррман, астрофизик-теоретик с факультета физики и астрономии Уппсальского университета (Швеция).
«Время существования пригодного для жизни климата на поверхности внешних миров имеет ключевое значение для оценки возможности возникновения внеземной жизни», — пишут авторы. Для понимания этих периодов обитаемости авторы используют термин «время нахождения в обитаемой зоне» (Time in Habitable Zone, TIHZ). «Время в зоне обитаемости (TIHZ) рассчитывается для внешних миров, вращающихся на расстоянии от 5 до 45 а.е. вокруг звезды, похожей на Солнце».
На примере нашей Солнечной системы авторы показывают, как увеличение инсоляции может изменить обитаемую зону по мере того, как Солнце движется по своему эволюционному пути. По мере того как внутренняя и внешняя обитаемые зоны меняются, планеты входят в них и выходят из них.
Затем авторы сравнивают TIHZ с предполагаемым временем, которое потребовалось для появления жизни на Земле. Могут ли некоторые из этих внешних миров иметь достаточно долгий TIHZ для возникновения жизни? Да, согласно этому исследованию. «Для каждого внешнего мира обнаружено несколько пригодных для жизни фаз», — говорится в статье.
Исследователи рассчитали как оптимистичное, так и консервативное время для планет Солнечной системы, находящихся в обитаемой зоне. Некоторые из планет попадают в зону обитаемости несколько раз.
Исследователи обнаружили, что у некоторых внешних миров вторичные фазы обитаемости превышают длительность первичной фазы. Но это только в том случае, если вода не исчезает за время между двумя фазами. Вполне возможно, что парниковый эффект может привести к исчезновению достаточного количества воды, чтобы свести на нет пригодность для жизни на вторичной фазе.
Но результаты работы команды показали, что крайне маловероятно, что миры, находящиеся на таком расстоянии от Солнца, как Сатурн, потеряют достаточно воды, чтобы лишиться возможности обитаемости. «На расстоянии орбиты Сатурна ни один из гипотетических внешних миров не потеряет столько воды, сколько её содержится в океанах Земли, если использовать модели солнечной эволюции PARSEC или Dartmouth», — объясняют авторы.
Исследование показывает, что как индивидуальные, так и суммарные TIHZ планет уменьшаются по мере увеличения расстояния до орбиты. Но в нашей Солнечной системе общая площадь поверхности и водный бюджет внешних планет превышает таковой у внутренних планет. Что это значит для обитаемости?
«Если жизнь зародилась на мелководье на поверхности Земли, то большая площадь поверхности может увеличить вероятность возникновения жизни, в зависимости от запасов воды на поверхности, — объясняют исследователи в своей работе. — В пользу возникновения жизни на мелководье говорит то, что ультрафиолетовое излучение является источником энергии, способным обеспечить достаточно высокую энергию активации для запуска процессов пребиотических реакций».
Главный вопрос: достаточно ли будет времени, проведённого в пригодных для жизни зонах, для возникновения жизни на этих внешних планетах? По мнению авторов, этот вопрос состоит из двух частей. Первая — это время, необходимое для того, чтобы планета стала пригодной для жизни, что, проще говоря, подразумевает появление воды на поверхности, а вторая — это время, необходимое для появления жизни после этого.
Единственный способ выяснить это — сравнить с нашими лучшими оценками того, сколько времени потребовалось жизни для появления на Земле. «В настоящее время самыми древними ископаемыми являются строматолиты, датируемые 3,5-3,8 млрд лет назад, — пишут авторы. — Если использовать это консервативное определение, время возникновения жизни на Земле составляет ~1 млрд лет, поскольку возраст Земли равен 4,5 млрд лет». Жизнь могла появиться и раньше, но свидетельства её существования не пережили тектоническую трансформацию планеты.
К сожалению, результаты показывают, что TIHZ для внешних планет меньше, чем верхняя граница времени, которое, как мы считаем, потребовалось для развития жизни на Земле. «С пессимистической точки зрения, если принять эту верхнюю границу за предел, то маловероятно, что жизнь сформировалась на каком-либо из этих внешних миров», — объясняют авторы.
Но существует множество внешних миров. Каждый из них — отдельная возможность для возникновения жизни. Спутников существует ещё больше. Как это влияет на статистику? Здесь всё становится ещё более туманным.
«Зона обитаемости — это конструкция, которую следует интерпретировать как зону, где вероятность существования жизни повышена», — пишут исследователи. Любые миры, которым посчастливилось оказаться вблизи центра зоны обитаемости, больше похожи на Землю и с большей вероятностью дадут начало жизни. «Вероятность того, что миры, расположенные по краям зоны обитаемости, будут иметь больше или меньше шансов на существование жизни, трудно оценить количественно», — поясняют они.
Конечно, правдоподобно, что жизнь могла возникнуть на этих внешних мирах, расположенных по краям пригодных для жизни зон. Главная проблема заключается в том, что мы не знаем, сколько времени потребовалось для возникновения жизни на Земле. К тому же внешние планеты больше по размеру, там больше доступной площади поверхности и больше возможностей для зарождения искры жизни.
Но что, если жизнь путешествует на кометах, астероидах и даже в пыли и постоянно распространяется с помощью панспермии? Сократит ли это время? Авторы не затрагивают эту тему; это всё слишком умозрительно.
«Учитывая множество внешних миров, вероятность возникновения жизни на любом из них в течение любого из периодов TIHZ достаточна для того, чтобы рассмотреть её в рамках поисков внеземной жизни», — заключают авторы.
