Сколько на самом деле потенциально обитаемых планет
В июне 2020 года канадские астрономы рассчитали, что в Млечном Пути может быть пять миллиардов планет, похожих на Землю и вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце. Однако это лишь видимая часть айсберга обитаемых планет. Дело не только в том, что вокруг звезд других типов их больше: и сами условия на экзопланетах в других системах могут быть куда благоприятнее для жизни, чем у нас с вами. Попробуем понять почему. Звезды бывают разных типов. Те, что помассивнее – типа желтого карлика Солнца (спектральный класс G2) или белой звезды Сириус А (спектральный класс А1), – видны на многие световые годы. Причем по мере увеличения массы их светимость растет нелинейно: Сириус всего вдвое тяжелее нашей звезды, но светит в 25 раз ярче.
Обратное тоже верно: самый тяжелый и крупный красный карлик (спектральный класс М0) всего в пару легче Солнца, но светит примерно в 15 раз слабее. Самые легкие из них (M9) в дюжину раз легче Солнца, но уступают ему по светимости во многие тысячи раз. Это порождает эффект «невидимой части айсберга»: красных карликов вокруг Земли (и во Вселенной вообще) огромное множество, но увидеть их по-настоящему сложно. Ближайшая к Земле звезда – Проксима Центавра – именно такой карлик: несмотря на крайне малую дистанцию в 4,3 световых года, ее невозможно разглядеть на небе невооруженным глазом. Точно установить число подобных объектов во Вселенной сложно. Оценки разнятся от 70% до 90% от всех существующих светил – но большинство из этих оценок близки к 75-76%.
Канадские астрономы, пробовавшие подсчитать число планет земного типа вокруг желтых карликов, использовали данные космических телескопов, на чьих снимках было зафиксировано 200 тысяч звезд. У них вышло, что примерно 7% из всех 400 миллиардов светил нашей Галактики – желтые карлики. Всего здесь 28 миллиардов таких звезд. Исходя из имеющихся данных по встречаемости планет у звезд класса G, ученые посчитали, что в 18% случаев в каждой из таких систем может быть планета размером с Землю, причем в зоне обитаемости. Всего таких планет может быть пять миллиардов.
А теперь посмотрим на эту ситуацию с точки зрения не желтых карликов типа нашей звезды, а оранжевых (12% всех звезд) и красных (76%). Выходит, в Млечном Пути только красных около 300 миллиардов – в 11 раз больше, чем желтых. При этом планет, по массе близких к Земле и лежащих в зоне обитаемости там, по подсчетам других астрономических групп, очень много. 40% всех красных карликов могут иметь такие экзопланеты – и тогда потенциально обитаемых планет вокруг таких звезд до 120 миллиардов. Разумеется, само по себе наличие небесного тела в условной зоне обитаемости – далеко не гарантия присутствия там жизни. Важнейший вопрос современной экзопланетной астрономии: пригодны ли такие миры для жизни на самом деле?
Вопреки названию, человек, который окажется на планете у красного карлика, не увидит в небе светила красного цвета. Все дело в особенности нашего зрения: оно ловит фотоны разных длин волн от источника света и «складывает» их, получая не истинный цвет объекта, а «синтетический». Классический пример – наше Солнце. Оно излучает основную часть своей энергии в зеленой части видимого спектра. Чтобы понять это, достаточно взглянуть на листву вокруг: она именно такая, чтобы эффективно отражать эту часть солнечного излучения и избегать перегрева при резком переходе от тени к солнечному свету.
Точно так же обстоят дела с лампочкой накаливания и красным карликом. Истинный их цвет – красный, но мы воспринимаем его в итоге как охряно-желтый. Впрочем, если на мирах с охряно-желтым Солнцем действительно есть жизнь, то высокоразвитая наземная растительность там будет иметь именно красный цвет, иначе ей будет затруднительно приспособиться к резкой смене освещения при прохождении над ней облака.
Долгое время часть исследователей полагала, что в основном красное и инфракрасное излучение красных звезд станет серьезной проблемой для растений на планетах вокруг них. В самом деле: энергия таких фотонов ниже, чем у зеленого света, доминирующего в излучении Солнца. Окажется ли, что красного света и ИК-излучения достаточно для фотосинтеза? Ведь известно, что обычный хлорофилл практически не может использовать световые волны дальней красной части спектра (с волнами от 700 нанометров и больше)?
Разумеется, кислород может образовываться не только с помощью хлорофилла: например, у бактерий есть белок бактериородопсин, похожий на обычный родопсин, при помощи которого мы, например, воспринимаем свет. Однако «бактериородопсиновый» фотосинтез в норме не образует кислород: значит, на его основе сложную биосферу – с кислорододышащими многоклеточными – не построить. Так что же, свет красных звезд непригоден для «прокорма» сложной жизни? Чтобы узнать ответ на этот вопрос, не обязательно лететь к далеким звездам. В 2010 году на западном побережье Австралии открыли хлорофилл f (примерная описательная формула C55H70O6N4Mg).
В отличие от других видов хлорофилла, он обеспечивает «классический» фотосинтез с выделением кислорода – но от фотонов с длиной волны до 720 нанометров. Причины его использования фотосинтезирующими организмами в воде понятны: чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем сильнее оно поглощается водой. Поэтому в ряде случаев выгоднее использовать именно дальнюю часть красного диапазона.
Вспышки погубят все живое?
Другая особенность красных карликов, на которой часто останавливаются астрономы, – их склонность к сильнейшим вспышкам, которые наше Солнце показывало только в первые миллионы лет своей жизни. Во время такого события резко растет уровень рентгеновского и ультрафиолетового излучения от светила – настолько, что, как иногда утверждается, это может «стерилизовать» жизнь на поверхности подобной планеты.
Исходя из этого, астрономы попытались рассчитать, какими могут быть последствия столь сильных УФ- и рентгеновских вспышек маломассивных звезд. У них получилось, что некоторые планеты в зоне обитаемости красного карлика TRAPPIST-1 (39,6 светового года от нас) могли потерять таким образом воду, по массе равную 15 земным океанам. Механизм потери простой: ультрафиолет расщепляет молекулы водяного пара на водород и кислород. Молекулы первого слишком легкие, поэтому быстро рассеиваются в космическое пространство.
Относительно недавно выяснилось, что реальный уровень ультрафиолетового излучения во время вспышек TRAPPIST-1 в 50 раз выше, чем считалось при подсчете возможных потерь воды. Вырисовывается апокалиптическая картина: землеподобные планеты у красных карликов должны быть безводными по сравнению с Землей, а УФ-излучение на их поверхности во время вспышек, как кажется, может стерилизовать любую наземную жизнь.
Но обратимся к реальным параметрам семи планет системы TRAPPIST-1. Действительно ли они так безводны? В зоне обитаемости там лежат сразу три планеты – TRAPPIST-1e, f и g. Плотность первой – 1,024 земной, второй – 0,816 земной, а третьей – 0,759 земной. Хорошо видно, что две из трех планет должны содержать заметно больше легких элементов, чем наша Земля. Для планет, весьма близких к ней по массе, вода – основной источник легких компонентов, ведь гравитация таких тел не способна удержать крупную водородную или гелиевую атмосферу.
Может быть, речь об исключении и много воды на планетах в зоне обитаемости только на мирах в системе TRAPPIST-1? Нет, и в других системах красных карликов планеты в зоне обитаемости почти всегда имеют плотность Земли или даже ниже. Следовательно, они не могут быть по-настоящему безводными пустынями – даже несмотря на сильные УФ- и рентгеновские вспышки. На вопрос о том, почему мы наблюдаем такую картину сегодня, астрономы еще не нашли ответ. Действительно, ультрафиолет расщепляет воду, и считается, что на Марсе потеря воды состоялась именно из-за солнечного УФ-излучения.
Возможных ответов на вопрос о том, как планеты у красных карликов не потеряли воду, два. Первый сценарий можно назвать «пока толстый иссыхает, худой испарится». Дело в том, что большинство систем красных карликов с открытыми планетами выглядят неестественно. Их планеты расположены исключительно скученно, на очень малом расстоянии от своей звезды. Ближайшая из семи планет той же TRAPPIST-1 лежит в 1,73 миллиона километров от своего светила, а самая удаленная – всего в 9,27 миллиона километров от нее. Вдумаемся: семь планет на 7,54 миллиона километров!
В Солнечной системе семь ближайших к звезде планет разбросаны на орбитах от 58 миллионов километров (Меркурий) до 2,88 миллиарда километров. Разнос их в пространстве в 370 раз сильнее, чем у экзопланет TRAPPIST-1. Между Меркурием и Солнцем в нашей системе поместилось бы сразу семь семипланетных систем TRAPPIST-1 – и еще осталось бы место. Конечно, красные карлики меньше Солнца. И их протопланетные диски тоже должны быть меньше, но вряд ли не в 370 раз. Все это заставляет ученых предполагать возможность образования планет красных карликов на более удаленных от светила орбитах, с последующей миграцией ближе к звезде. Миграцей, подобной той, что мы описывали в январском номере нашего журнала для Солнечной системы, – но более радикальной.
В этом случае доля легких элементов на планетах в обитаемой зоне маломассивных звезд изначально будет очень велика – куда больше, чем на Земле. Тогда мощные звездные вспышки, если и лишат ее больших масс воды, все равно не снизят водный «запас» на таких планетах ниже земного уровня. Второй возможный сценарий выживания под ультрафиолетом – разумеется, озоновый слой. По расчетам астрономов, при наличии заметной кислородной атмосферы и постоянного озонового слоя даже в моменты серьезных вспышек средний уровень УФ-излучения, достигающего поверхности планеты земного типа в системе красного карлика, будет не сильно выше, чем на Земле. Особенно верно это будет там, где плотность атмосферы заметно выше земной.
У такого сценария одно слабое место: откуда-то должно взяться заметное количество свободного кислорода. Судя по опыту земной жизни, он появляется лишь через миллиарды лет после образования планеты – за счет деятельности тех фотосинтетиков, что производят кислород (как мы уже говорили выше, далеко не все фотосинтезирующие организмы это делают). Но откуда серьезный озоновый слой мог взяться на молодых планетах, если ультрафиолет должен убивать все живое, что есть на поверхности?
Здесь ответ может заключаться в серьезной защите, которую даже нетолстый слой воды дает любому живому существу от ультрафиолета. Если фотосинтезирующий организм растет в водной среде, УФ ему не мешает. А когда он наработает свободный кислород, то и на суше станет куда безопаснее (в плане снижения уровня ультрафиолета).
Приливной захват: возможна ли жизнь под неподвижным солнцем?
Скептики вспомнят другую часто называемую проблему планет у красных карликов – приливной захват. Как мы уже показали выше, расстояние от типичной обитаемой планеты в такой системе до ее звезды – считаные миллионы километров. Соседние планеты в такой тесноте будут выглядеть на небе как луны, а собственные луны – куда ярче земной.
Малая дистанция до звезды означает, что ее гравитация рано или поздно «зафиксирует» ее планеты. Как Земля заставляет Луну всегда смотреть на себя только одной стороной, красные карлики чаще всего будут вечно светить на одну сторону своих обитаемых планет, а другая половина останется лежать в вечной тени. Именно это называют приливным захватом в отношении звезды и планеты. Не «выгорит» ли жизнь на подсолнечной стороне и не замерзнет ли на теневой? Ответ на этот вопрос пришел несколько лет назад, когда астрономы впервые использовали детальные модели поведения атмосфер экзопланет, чтобы понять, что будет с ними в случае приливного захвата.
Оказалось, постоянный нагрев неизбежно создает в «подсолнечной» точке исключительно мощные восходящие тропосферные потоки и плотную облачность. Настолько плотную, что о чрезмерном перегреве «подсолнечной» стороны экзопланеты речь просто не идет. Более того: восходящие потоки оказывались достаточно сильными, чтобы нагретые воздушные массы после этого быстро перемещались на «теневую», вечно темную сторону планеты. Фактически распределение температур на подобной планете будет лишь незначительно отличаться от земного – хотя половина поверхности здесь никогда и не увидит местного солнца.
Разумеется, это не значит, что биосфера миров у красных карликов будет развиваться так же, как у нас. Да, общая биопродуктивность будет сравнимой: на подсолнечной стороне фотосинтез будет идти все часы местных суток, а не половину времени, как у нас. Но на вечно теневой стороне привычные нам фотосинтетики никогда не станут доминирующей формой жизни. Там будут господствовать хемоавтотрофы – организмы, разлагающие те или иные соединения и тем живущие. Это будет довольно странная половина мира – вряд ли туда когда-нибудь станут заходить развитые животные дневной стороны. Жизнь должна будет ютиться у гидротермальных источников под водой и близ вулканов на суше.
Кстати, на Земле есть примеры фотосинтезирующих организмов, живущих без солнечного света. Речь о зеленых серобактериях, обитающих на глубинах до 2,4 километра, куда не попадает солнечный свет. Поэтому они используют лишь тусклое свечение от ближайших гидротермальных источников. Источник энергии этого свечения – нагрев выходящих из-под поверхности планеты соединений, поэтому и свет, используемый серобактериями, – красный, плюс часть инфракрасного диапазона. Очевидно, что такие «тепловые» фотосинтетики могут быть и на теневых сторонах планет у красных карликов. Но ясно и то, что сложной жизни на такой основе не развернуться: теневая сторона навсегда останется заповедником для примитивных форм жизни.
Но есть у красных карликов такие особенности, которые ученые однозначно интерпретируют как благоприятные для жизни. Даже самые крупные из красных звезд (с массой в четверть солнечной) живут не менее триллиона лет. Наиболее маломассивные – чуть более 10 триллионов лет. Слово «живут» не должно вводить в заблуждение: пока Вселенной нет и 14 миллиардов лет, поэтому на деле еще ни один красный карлик не успел дойти до конца своего жизненного пути и стать сначала голубым, а потом черным карликом.
Причина сверхдлинного жизненного цикла – в малом расходовании водорода и невозможности, в силу малых размеров, войти в фазу красного сверхгиганта, которым через пять миллиардов лет станет Солнце. Поэтому красные карлики с биосферами должны дать им максимальное время для эволюции. На нашей планете сложная наземная жизнь с высшими растениями и животными существует всего полмиллиарда лет. Если люди не придумают чего-то экстраординарного, еще через миллиард лет эта жизнь исчезнет: светимость Солнца постепенно нарастает.
Теоретически на Земле работает «углеродный кондиционер» – механизм, за счет которого она не перегревается. Когда солнечного излучения слишком много, СО2 в атмосфере Земли быстрее связывается горными породами, после чего сила парникового эффекта снижается, а температура снова падает до приемлемой. Но проблема в том, что такие падения содержания углекислого газа сами по себе опасны. В последнем ледниковом периоде СО2 в воздухе было 180 частей на миллион, а уже при 150 частях на миллион произойдет гибель всех деревьев. Некоторые травы смогут фотосинтезировать и при меньшем содержании углекислого газа в воздухе, но ниже 50 частей на миллион гибнуть начнут практически все сложные растения.
Мы, люди, в состоянии решить проблему постепенного роста излучения нашего желтого карлика: например, строя на орбите крупные зеркала, отражающие часть солнечного излучения. Но на красном карлике такая проблема в принципе не встает: сложная жизнь там имеет не 1,5 миллиарда лет на естественное развитие, а как минимум сотни миллиардов. На маломассивных красных карликах типа TRAPPIST-1 речь идет о триллионах лет. В теории это огромное преимущество для развития практически любой сложной биосферы. Существуя в сотни, а то и тысячи раз дольше, чем на Земле, она способна подняться до более сложных форм жизни с высокой вероятностью. Кто знает: быть может, и до разумных?
Другая положительная особенность красных и в некоторой степени оранжевых карликов – отсутствие ледниковых периодов. Вообще, подобные события до недавних пор были редкостью и на Земле. Более-менее регулярно они начались лишь два миллиона лет назад, а до того планета была много теплее. Еще пять миллионов лет назад на побережье Антарктиды росли буковые деревья, да и Новая Земля три миллиона лет назад оставалась покрытой широколиственными лесами. С тех пор, после снижения концентрации СО2 в атмосфере, планета вступила в период хронически неустойчивого климата, которого раньше не знала.
Каждые несколько десятков тысяч лет льды начинают наступать в низкие широты, попутно резко сокращая продуктивность биосферы. Дело не только в снижении температур: из-за них падает и объем осадков, отчего планета становится пустынной. Всего 20 тысяч лет назад более половины суши Земли была или арктической, или песчаной пустынями.
Но у красных карликов этот сценарий не может сработать: их климат намного устойчивее. У Солнца чуть менее половины энергии излучения приходится на инфракрасную часть спектра. Такое излучение не отражается от водного льда, а поглощается им, приводя к таянию. Оставшаяся половина энергии солнечных лучей – в видимом и УФ-диапазоне, – а эти волны эффективно отражаются льдами в космос, что приводит к усилению охлаждения Земли. Поэтому старт любого оледенения порождает положительную обратную связь: больше льда – еще холоднее планета – еще больше льда. И так по кругу.
У красных карликов до 95% излучения приходится на инфракрасную часть спектра, поэтому лед там не может «выхолаживать» планету сам по себе. Так что любое временное наступление льдов (например, после вулканической или астероидной зимы либо кратковременного спада звездной активности) оказывается крайне краткосрочным. Никакие ледниковые периоды там не могут быть долгосрочными.
Это означает не только большую, чем на Земле, продуктивность биосферы в целом, но и «скоростное» восстановление после каждого крупного вымирания. Судя по нашей планете, они – что в случае динозавров, что в случае Великого вымирания конца перми – происходят именно в период похолоданий и активного наступления льдов. Но у маломассивных звезд такое наступление будет коротким, отчего глубина массовых вымираний видов может оказаться меньшей, чем на нашей планете.
Подведем итоги. Угрозы жизни на планетах у красных карликов в свете последних научных данных выглядят заметно преувеличенными. Судя по высокому содержанию в них легких компонентов, они богаты водой. На большом их количестве нет и губительного холода вечно теневого полушария, и перегрева всегда дневного полушария. При этом их в дюжину раз больше, чем планет вокруг желтых карликов, и в теории примерно настолько же больше должно быть «краснозвездных» биосфер во Вселенной. Примерно из 50 миллиардов потенциально обитаемых планет Галактики – более 40 вращаются у красных и оранжевых карликов, а лишь пять – вокруг желтых вроде нашей звезды. Но дело не только в том, что «краснозвездных» экзопланет земного типа численно больше. Сложная жизнь на каждом из обитаемых миров красных звезд будет существовать в сотни раз дольше, чем у нас. Иными словами, подавляющее большинство всех живых существ могут быть обитателями именно таких планет – а вовсе не «двойников Земли».
