Ветреная жизнь красных карликов

Десять лет назад развитие телескопов позволило засечь первые планеты в системах других звезд. К настоящему дню их известно уже почти три сотни. Однако до самого последнего времени все вновь обнаруженные планеты представляли из себя юпитероподобные газовые гиганты. Только в последние годы астрономам удалось обнаружить несколько планет, масса которых превышает земную всего в несколько раз (масса Юпитера больше массы Земли более чем в 300 раз). Эти вновь открытые планеты были прозваны супер-Землями.

Весной уходящего года были открыты планеты в системе Gliese 581. Уже тогда, сопоставив размеры звезды – красного карлика – и диаметры орбит планет Gliese 581c и Gliese 581d, ученые поспешили сообщить о возможности существования жизни на их поверхности. Они находятся внутри диапазона расстояний от звезды, называемого обитаемой зоной. Находящиеся в этой зоне планеты получают от звезды ровно столько света и тепла, чтобы вода на их поверхности не испарилась и не затвердела.

В отличие от газовых гигантов, таких как Юпитер, планеты с твердой поверхностью могут быть крайне разнообразными. Они могут представлять собой высушенные и безвоздушные небесные тела или нести на своей поверхности гораздо больше воды и газов, составляющих атмосферу, чем колыбель человечества. Взглянуть на эти тела непосредственно и оценить состояние их атмосферы человечеству поможет следующее поколение телескопов. В настоящее же время астрономы уповают на теоретические расчеты и математическое моделирование.

В связи с этим в журнале Astronomy & Astrophysics появилось две новых публикации, посвященные планетарной системе Gliese 581. Две научные группы, одной из которых руководил Фрэнк Селсис, а другой – Вернер фон Блох, использовали различные подходы для оценки вероятности существования жизни на этих супер-Землях. В своих изысканиях обе команды пытались более точно оценить границы обитаемой зоны в этой звездной системе и продемонстрировали два независимых подхода.

Особенный интерес Gliese 581 вызывает в силу того, что центральная звезда является красным карликом, звездой спектрального класса М.

Эти звезды составляют абсолютное большинство (около 75%) звёздного населения нашей галактики, а их жизнь может продолжаться десятки миллиардов лет. Существенный недостаток здесь – достаточно сильные магнитные поля, которые постоянно провоцируют вспышки куда серьёзней солнечных и, вероятно, соответствующие магнитные бури на планетах. Однако при наличии у планеты серьёзной магнитосферы такие события не должны представлять больших проблем для биосферы.

Тем не менее в течение долгого времени звезды класса М считались маловероятными носителями жизни в своих планетных системах, так как, во-первых, планеты в обитаемых зонах таких звезд всегда повернуты одной стороной к своему солнцу, а другая всегда находится в тени. Обитаемая зона находится здесь так близко к звезде, что приливные силы очень быстро синхронизируют вращение планеты вокруг своей оси и обращение по орбите – так Земля заставила Луну постоянно смотреть на себя одной стороной. Это приводит к большой неоднородности атмосферы и, вероятно, формированию очень сильных постоянно дующих ветров.

Во-вторых, такие звезды обладают высокой магнитной активностью вследствие очень сильных вспышек на поверхности, а также испускают интенсивные потоки жесткого УФ и рентгеновского излучения на ранних периодах своего развития, крайне неблаготворно сказывающиеся на живых системах.

Однако недавние теоретические работы показали, что планетарные системы красных карликов все же могут стать пристанищем живых организмов.

Это возобновило интерес к таким звездным системам, так как обнаружить планеты, подобные Земле, на фоне красных карликов существенно проще, чем при изучении систем звезд, подобных Солнцу: они просто слабее, и на их фоне легче выделить свет планет.

Селсис и его коллеги занимались моделированием состояния атмосферы планет в зависимости от расстояния между этими небесными телами и звездой Gliese 581. При слишком большом приближении к светилу вся жидкая вода должна испариться с поверхности планеты и перейти в газовую фазу в составе атмосферы. Существование жизненных форм, подобных земным, в таких условиях маловероятно.

Дальняя граница обитаемой зоны соответствует области, в которой парниковый эффект даже при колоссальных количествах СО₂ в атмосфере не сможет помочь светилу хоть как то сохранить на поверхности планеты тепло, необходимое для поддержания воды в жидкой фазе. Однако модель, построенная Селсисом и его коллегами, не лишена достаточно большой доли неопределенности из-за невозможности на сегодняшний день моделировать поведение облаков с достаточной точностью. Из-за этого границы обитаемой зоны оказываются сильно размытыми.

Команда фон Блоха изучала более узкий участок обитаемой зоны, так как рассматривала возможность запуска механизма фотосинтеза на планетах, как это происходит на Земле. Производство биомассы в процессе фотосинтеза определяется концентрацией углекислого газа в атмосфере, равно как и наличием жидкой воды. Ученые создали специальную модель тепловой эволюции планеты, на основании которой и осуществили подсчет концентрации атмосферного СО₂, попавшего в атмосферу в ходе вулканической деятельности, и количества углекислого газа, перешедшего в водный раствор в ходе различных погодных катаклизмов.

Наиболее важной частью их работы была оценка постоянного баланса между выбросом СО₂ в атмосферу и его поглощением водными растворами. Такой баланс существует и более или менее хорошо изучен на Земле. В связи с этим возможность поддержания фотосинтетической биосферы очень зависит от возраста планеты. Так, слишком старые планеты могут быть лишены тектонической активности, постоянно подпитывающей биосферу углекислым газом. В этом случае рассчитывать на жизнеспособную биосферу на поверхности планеты не приходится.

В результате моделирования и теоретических подсчетов обе научные группы постановили, что планета Gliese 581с слишком близка к светилу, чтобы быть обитаемой, в то время как на Gliese 581d жизнь вполне может существовать. Однако климатические условия на этой планете могут быть слишком суровыми для развития сложных форм жизни. Планета эта обращается вокруг звезды, всё время глядя на неё одной и той же стороной. Температурный градиент между двумя полушариями может вызывать очень сильные ветры в атмосфере планеты. Кроме того, так как это небесное тело находится ближе к дальней границе обитаемой зоны, организмам, в какой бы форме они ни существовали, приходится выживать в условиях слабой солнечной радиации и в климатических условиях, сильно отличающихся от земных.

К тому же расстояние между звездой и этими двумя планетами непостоянно, оно меняется из-за отклонения формы орбит от круговой. Планеты также имеют довольно короткий период обращения вокруг звезды, составляющий примерно13 дней для планеты с и 83,6 для планеты d. Кроме того, установлено, что в ходе движения по орбите планета d может ненадолго покидать обитаемую зону. Тем не менее ученые уверены, что при достаточной плотности атмосферы жизненные формы способны выжить в течение этих коротких временных промежутков.

Результаты работ, по всей видимости, сделают Gliese 581c и Gliese 581d приоритетными целями совместной миссии американского и европейского космических агентств NASA и ESA, носящей название Darwin/TPF («Дарвин/Искатель землеподобных планет» – Terrestrial planet finder). Эта миссия должна позволить изучить состав и параметры атмосферы планет, которые на сегодняшний день удается только моделировать с не слишком высокой достоверностью.

Стоит упомянуть о еще одной публикации, принятой к печати в том же Astronomy & Astrophysics. В этой статье команда ученых под руководством Эрве Бёста докладывает о работах по изучению динамической стабильности планетарной системы Gliese 581. Эти работы также очень важны для изучения возможности формирования жизни на поверхности планет, так как изменение орбит вращения небесных тел в течение больших промежутков времени может сильно сказаться на их климатических условиях.

Гравитационные взаимодействия между различными небесными телами проявляются повсеместно в звездных системах, имеющих более одной планеты. Так, в Солнечной системе орбита Земли периодически отклоняется от круговой, становясь более вытянутой. Этого изменения оказывается достаточно, чтобы перевернуть климат планеты с ног на голову, растопив тысячелетние ледники и охладив песчаные пустыни.

Более же сильные флуктуации земной орбиты могли вполне поставить крест на развитии и эволюции жизни.

Вычисления Бёста показали, что планетарная система является достаточно стабильной и колебания параметров орбиты планет Gliese 581с и Gliese 581d находятся в пределах таковых у Земли. Поэтому можно с большой уверенностью говорить о стабильности климата этих планет, не препятствующей формированию и развитию жизни, однако, есть ли там жизнь или нет, данные вычисления показать не в силах.