20.04.2023. - Звезды, бедные металлами, более благоприятны для жизни

Звезды, бедные металлами, более благоприятны для жизни

Звезды, содержащие сравнительно большое количество тяжелых элементов, обеспечивают менее благоприятные условия для возникновения сложной жизни, чем звезды с низким содержанием металлов, как теперь обнаружили ученые из Института исследования Солнечной системы и химии им. Макса Планка, а также из Геттингенского университета. Команда показала, как металличность звезды связана со способностью ее планет окружать себя защитным озоновым слоем. Решающее значение для этого имеет интенсивность ультрафиолетового света, который звезда излучает в космос, в разных диапазонах длин волн. Исследование дает ученым, исследующим небо с помощью космических телескопов обитаемые звездные системы, важные подсказки относительно того, где это начинание может быть особенно многообещающим. Это также наводит на поразительный вывод: по мере того, как Вселенная стареет, она становится все более неблагоприятной для появления сложной жизни на новых планетах.

В поисках обитаемых или даже обитаемых планет, вращающихся вокруг далеких звезд, исследователи в последние годы все больше внимания уделяют газовым оболочкам этих миров. Имеют ли данные наблюдений признаки наличия атмосферы? Возможно, он даже содержит такие газы, как кислород или метан, которые на Земле производятся почти исключительно как продукты метаболизма форм жизни? В ближайшие годы такие наблюдения будут доведены до новых пределов: телескоп НАСА Джеймса Уэбба позволит не только охарактеризовать атмосферы крупных газовых гигантов, таких как Супер-Нептуны, но и впервые проанализировать гораздо более слабые спектрографические сигналы. из атмосферы скалистой планеты. С помощью численного моделирования текущее исследование, опубликованное сегодня в Nature Communications, теперь обращается к содержанию озона в атмосферах экзопланет. Как и на Земле, это соединение из трех атомов кислорода может защитить поверхность планеты (и живущие на ней формы жизни) от повреждающего клетки ультрафиолетового (УФ) излучения.

Таким образом, защитный слой озона является важной предпосылкой для возникновения сложной жизни. «Мы хотели понять, какими свойствами должна обладать звезда, чтобы ее планеты образовывали защитный озоновый слой», — объясняет основную идею Анна Шапиро, ученый из Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка и первый автор настоящего исследования. Как это часто бывает в науке, эта идея была вызвана более ранним открытием. Три года назад исследователи во главе с Институтом исследований Солнечной системы им. Макса Планка сравнили изменения яркости Солнца с яркостью сотен солнцеподобных звезд. Результат: интенсивность видимого света многих из этих звезд колеблется гораздо сильнее, чем в случае Солнца. «Мы видели огромные пики интенсивности», — говорит Александр Шапиро, который участвовал как в анализе трехлетней давности, так и в текущем исследовании. «Поэтому вполне возможно, что солнце тоже способно на такие всплески интенсивности. В этом случае также резко увеличилась бы интенсивность ультрафиолетового света», — добавляет он. «Поэтому, естественно, мы задавались вопросом, что это будет означать для жизни на Земле и какова ситуация в других звездных системах», — говорит Сами Соланки, директор Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка и соавтор обоих исследований.

На поверхности примерно половины всех звезд, вокруг которых вращаются экзопланеты, температура колеблется от 5000 до 6000 градусов по Цельсию. Поэтому в своих расчетах исследователи обратились к этой подгруппе. С температурой поверхности около 5500 градусов по Цельсию солнце также является одним из них. «В химии атмосферы Земли ультрафиолетовое излучение Солнца играет двоякую роль», — объясняет Анна Шапиро, чьи прошлые научные интересы были сосредоточены на влиянии солнечной радиации на атмосферу Земли. В реакциях с отдельными атомами кислорода и молекулами кислорода озон может как образовываться, так и разрушаться. В то время как длинноволновое УФ-В излучение разрушает озон, коротковолновое УФ-С излучение помогает создать защитный озон в средних слоях атмосферы. «Поэтому было разумно предположить, что ультрафиолетовый свет может оказывать столь же сложное влияние и на атмосферы экзопланет», — добавляет астроном. Точные длины волн имеют решающее значение.

Поэтому исследователи точно рассчитали, какие длины волн составляют ультрафиолетовый свет, излучаемый звездами. Они также впервые рассмотрели влияние металличности. Это свойство описывает соотношение водорода и более тяжелых элементов (упрощенно и несколько ошибочно называемых астрофизиками «металлами») в строительном материале звезды. В случае Солнца на каждый атом железа приходится более 31000 атомов водорода. В исследовании также рассматривались звезды с более низким и более высоким содержанием железа. На втором этапе команда исследовала, как расчетное УФ-излучение повлияет на атмосферы планет, вращающихся на безопасном для жизни расстоянии вокруг этих звезд. Благоприятные для жизни расстояния — это те, которые допускают умеренные температуры — ни слишком высокие, ни слишком низкие для жидкой воды — на поверхности планеты. Для таких миров команда смоделировала на компьютере, какие процессы характерного УФ-излучения родительской звезды приводят в движение атмосферу планеты.

Чтобы вычислить состав планетарных атмосфер, исследователи использовали химико-климатическую модель, которая имитирует процессы, управляющие кислородом, озоном и многими другими газами, а также их взаимодействие с ультрафиолетовым светом звезд с очень высоким спектральным разрешением. Эта модель позволила исследовать самые разные условия на экзопланетах и сравнивать их с историей атмосферы Земли за последние полмиллиарда лет. В этот период были установлены высокое содержание кислорода в атмосфере и озоновый слой, которые позволили эволюции жизни на суше на нашей планете. «Вполне возможно, что история Земли и ее атмосферы содержит подсказки об эволюции жизни, которые также могут быть применимы к экзопланетам», — говорит Джос Леливельд, управляющий директор Института химии Макса Планка, принимавший участие в исследовании.

Результаты моделирования удивили ученых. В целом звезды с низким содержанием металлов излучают больше УФ-излучения, чем их аналоги с высоким содержанием металлов. Но соотношение образующего озон УФ-С излучения и разрушающего озон УФ-В излучения также критически зависит от металличности: в звездах с низким содержанием металлов преобладает УФ-С излучение, что позволяет сформировать плотный озоновый слой. Для богатых металлами звезд с преобладающим УФ-В излучением эта защитная оболочка гораздо более разреженная. «Вопреки ожиданиям, звезды с низким содержанием металлов должны обеспечить более благоприятные условия для возникновения жизни», — заключает Анна Шапиро. Это открытие может быть полезным для будущих космических миссий, таких как миссия Езы «Платон», которая просканирует огромное количество звезд. для признаков обитаемых экзопланет. С 26 телескопами на борту одноименный зонд будет запущен в космос в 2026 году и сосредоточит свое внимание в первую очередь на планетах земного типа, вращающихся вокруг солнечных звезд на безопасных для жизни расстояниях.

Центр обработки данных миссии в настоящее время создается в Институте исследований Солнечной системы им. Макса Планка. «Наше текущее исследование дает нам ценные подсказки относительно того, на какие звезды Платону следует обратить особое внимание», — говорит Лоран Жизон, управляющий директор Института и соавтор текущего исследования. Более того, исследование приводит к почти парадоксальному выводу: по мере старения Вселенной она, вероятно, становится все более враждебной жизни. Металлы и другие тяжелые элементы образуются внутри звезд в конце их жизни в несколько миллиардов лет и — в зависимости от массы звезды — выбрасываются в космос в виде звездного ветра или взрыва сверхновой: строительный материал для следующего поколения звезд.

«Каждая вновь формирующаяся звезда, таким образом, имеет больше доступного строительного материала, богатого металлом, чем ее предшественники. Звезды во Вселенной становятся все более богатыми металлами с каждым поколением», — говорит Анна Шапиро. Согласно новому исследованию, вероятность того, что звездные системы будут производить жизнь, также уменьшается по мере старения Вселенной. Однако поиски жизни не безнадежны. Ведь многие звезды-хозяева экзопланет имеют такой же возраст, как и Солнце. И действительно известно, что эта звезда содержит сложные и интересные формы жизни по крайней мере на одной из своих планет.

Источник