14.01.2014. - Какой должна быть обитаемая экзопланета

Какой должна быть обитаемая экзопланета

Канадец Рене Эллер (Rene Heller) и американцец Джон Армстронг (John Armstrong) задались целью основательно критически перетрясти не отдельные концепции сегодняшней науки о потенциальной обитаемости экзопланет, а скорее сам подход, явленный в этой области знания. «Учёные разработали такой язык, — пишут они, — который отрицает возможность существования миров, предлагающих лучшие условия для жизни, чем на Земле». С одной стороны, они вроде бы ошибаются, ибо в последнее время в целом ряде работ проскальзывали упоминания о местах, где те или иные параметры обитаемости лучше наших, земных. А с другой — они, конечно же, правы.

Несравненная Земля — венец творения, или Мы просто ещё не сравнивали?

Обычно, говоря о том, какой должна быть обитаемая экзопланета, её сравнивают с нашим домом: «близнец Земли», «двойник» и т. д., и т. п. — и это не выдумки, а полноценные термины, изначально введённые в оборот сайтом препринтов arXiv.org и иными кузницами вне- и дожурнального научного знания. Но откуда такой, не побоимся этого слова, геоцентризм? Часто можно услышать: мы знаем одну обитаемую планету, поэтому, по принципу среднего, должны полагать, что если нам попался случайный объект из набора, то его характеристики будут ближе к средним для набора, чем к крайним (скупка автомобилей). Следовательно, «самые-самые» обитаемые должны иметь массу, солнечную постоянную и атмосферу, один в один совпадающие с земными. А все остальные будут, так сказать, эрзац-обитаемыми.

Увы, принцип среднего не работает, замечают наши герои. Для начала мы должны быть уверены, что Земля именно из этого набора — то есть из племени обитаемых планет, за пределами которого обитаемости нет. Попросту говоря, в предложении «Нет Бога, кроме Бога» вывод о правоте монотеизма следует только после второй его половины.

То есть логика принципа среднего работает, если все обитаемые планеты представлены теми, что получают основную часть своего тепла от звезды, имеют обширную гидросферу, атмосферу умеренной плотности и прочее, и прочее. Учёные показывают, что в действительности множество миров могут быть обитаемыми, если они получают значительную часть тепла, не дающего воде на их поверхности замёрзнуть, от приливного взаимодействия с другими небесными телами. Это не только пресловутые экзолуны у планет-гигантов далёких систем, которые в рассматриваемой работе называют «суперевропами». Речь идёт и о более экзотических сценариях: так, подчёркивается, что если бы Тейя, ударив по Землелуне порядка 4,5 млрд лет назад, распределила бы массы обоих получившихся тел равномернее (сильнее «ободрав» Землю), то две итоговые планеты могли бы сильно разогреваться друг о друга, и такие конфигурации двойных планет в принципе не исключены.

Не обязательна для планеты и обширная гидросфера или даже наличие континентов, которые иные полагают непременным условием углеродного цикла и жизни. Так, напоминают Эллер и Армстронг, давно показана возможность существования «Дюн» — сухих землеподобных планет, на которых ничтожное количество влаги в атмосфере делает невозможным безудержный парниковый эффект и полную потерю воды, необходимой для жизни. Более того, замечают учёные, континенты часто имеют внутренние области, не очень подходящие для процветания жизни (что легко заметить и на Земле), ибо колебания климата там не умеряются близостью моря. Таким образом, архипелаги, острова и континентальный шельф куда важнее для биоразнообразия.

Более того, планета а-ля Земля вполне может находиться в зоне обитаемости и тем не менее не быть обитаемой. Классический пример — Марс: на его орбите довольно солнечного света для жизни, будь на его месте Земля. Да что Земля — авторы говорят, что если в молодой Солнечной системе поменять Венеру и Марс местами, то четвёртая планета вполне могла бы быть обитаемой благодаря своей значительной гравитации и атмосфере.

Выборка, основанная лишь на Земле, из-за всех этих альтернатив очень груба и вводит в заблуждение, утверждают учёные. Что не менее важно, она не случайна — а значит, применить к ней принцип среднего вообще нельзя. Будь астробиологи двоякодышащими рыбами аммиачного океана с планеты X, которые случайно выбрали одну землеподобную планету для исследования, они могли бы сказать: вот один образец, который, скорее всего, ближе к средним параметрам. Однако мы оказались на Земле до того, как задались вопросом обитаемости экзопланет — а следовательно, для нас принцип среднего неработоспособен, так как у нас случайной выборки нет вовсе.

В общем, говорят Эллер и Армстронг, если это так, то Земля вполне может оказаться планетой, в части обитаемости далёкой как от идеальных показателей, так и от средних. На этой основе они предполагают существование так называемых сверхобитаемых миров — мест, где жизнь цветёт буйнее, а пахнет сильнее, чем у нас. Они ищут — и, что характерно, находят — краткий список моментов, которые могут обусловить такую ситуацию.

Где трава зеленее, чем у нас, или Размер имеет значение

Что это? Факторов, улучшающих обитаемость выше земных стандартов, может быть довольно много. В частности, поверхность экзопланеты, где существует жидкая вода, может быть физически больше, чем на нашей планете. Как ни смешно, судя по специфике биоценозов изолированных островов и той же Австралии, протяжённая обитаемая территория способна здорово ускорить развитие жизни и способствовать появлению значительного количества видов, а также придать больше устойчивости экосистеме в целом. Такой планетой может быть как тело размером с Землю, но без сильного наклона оси вращения, так и экзопланета с более плотной атмосферой или находящаяся в системе оранжевого (или красного) карлика, где значительная часть излучения приходится на инфракрасную часть спектра, то есть льды и снег его не отражают, в силу чего покрытые ими регионы не выхолаживаются до приполярного состояния, как на Земле, а, напротив, существуют в умеренном климате.

Конечно, если планета просто будет больше нашей, это тоже поднимет её формальную обитаемость, но, как замечают учёные, лишь до определённого предела: более пяти земных масс — и она может быть слишком тяжёлой для продолжения тектонической активности (хотя это и спорный вопрос) или даже настолько массивной, что не успеет лишиться водорода, присутствовавшего в её атмосфере в ранний период истории. Тогда планета будет перегреваться и, по всей видимости, станет малообитаемой.

Итак, лучшим размером для сверхобитаемого мира Эллер и Армстронг считают «слегка больше Земли». Кстати, добавляют они, в случае Солнечной системы самой обитаемой планетой очевидно является самая массивная изо всех землеподобных, и это ещё один аргумент в пользу сверхобитаемости многих «суперземель».

И миры-архипелаги, и пустынные планеты лучше Пангеи

Другим фактором процветания жизни может быть рельеф. Планеты, покрытые в основном архипелагами и неглубоким шельфом, должны быть обитаемее Земли: биопродуктивность шельфа много больше открытого моря с океанскими глубинами. Острова же почти не знают пустынь и обычно характеризуются умеренным климатом без резких колебаний температур — тем, чего так не хватает расположенным в центре континентов Сахаре, Гоби, пустыням Австралии и Аризоны.

Как ни странно, но более обитаемыми могут быть и планеты, где водой покрыта не слишком большая часть поверхности (вплоть до «Дюн»), но при этом резервуары с ней расположены равномерно по всей поверхности. В этом случае они не только умеряют колебания климата, но и предупреждают безудержный парниковый эффект на внутренней границе так называемой зоны обитаемости. Вместе с тем на её внешней границе планеты будут не очень склонны к переходу в состояние Земли-«снежка», поскольку не смогут покрыться общим ледовым покровом и тем самым резко повысить альбедо и снизить поток поглощаемого тепла.

Вес тектонике не помеха?

Тектоника плит может быть другим неожиданным фактором «сверхобитаемости». Хотя многие учёные и считают, что слишком тяжёлые «суперземли» будут иметь массу и вязкость мантии, необходимые для прекращения тектоники плит, некоторые свежие исследования указывают: поскольку в конечном счёте тектоника плит вызвана разностью температур между центром планеты и её поверхностью, по мере роста массы разность эта будет расти, и «склонность к тектонике плит» испытывает пик при массе планеты в 1–5 земных. Итог: до двух масс Земли экзопланеты будут сверхобитаемы в сравнении с нами из-за более активной тектоники плит, которая через углеродный цикл сможет быстрее стабилизировать климат, не давая разыграться массовым вымираниям (из-за резких изменений климата).

Магнитосфера и её последствия

Магнитное поле, по мнению авторов работы, тоже может быть признаком суперобитамости. Если планета будет легче 0,07 земной массы, поток заряженных частиц от её звезды со временем может унести молекулы воды, а затем и кислорода с азотом, оставив один углекислый газ (сценарий Марса). Эллер и Армстронг полагают, что, кроме маломассивных планет, сверхобитаемыми не могут быть и экзолуны, а также планеты, подвергнувшиеся приливному захвату (то есть вращающиеся вокруг красных карликов). Следовательно, магнитное поле там будет слабее, и, кажется, на этом основании авторы исключают тела у красных карликов из списка склонных к сверхобитаемости. Впрочем, по поводу магнитного поля и приливного захвата есть и принципиально иные точки зрения...

Углеродный цикл может быть и на океанидах

Климатический «термостат» «суперземель» — вот ещё один потенциальный фактор сверхобитаемости последних. Напомним: доминирующая до недавнего времени модель «суперземель»-океанид показывает, что они покрыты 100-километровым (и более) по глубине океаном, на дне которого лежит экзотический лёд — горячая субстанция находящегося тем не менее в твёрдом состоянии из-за огромного давления сверхглубокого океана. В таких местах углеродный цикл земного типа не действует, так как углекислый газ не будет связываться силикатами планетарной коры, поскольку между ней и атмосферой находится слой вечного льда.

Грусть-тоска? Вряд ли, считают исследователи. Дело в том, что при определённой насыщенности первоначальным углекислым газом начнёт происходить нечто, что на Земле имеет место с метаном (метангидраты): углекислый газ и вода образуют клатраты, соединения, в которых углекислый газ будет удерживаться на морском дне при его избытке в океане и из которых он может высвободиться при его недостатке. Более того, уже при контакте углекислого газа, поднимающегося с вулканической активностью с экзотическим льдом на стокилометровых глубинах, образующиеся при больших давлениях клатраты вполне могут успешно сформироваться и затем постепенно мигрировать по толще льда вверх, по сути, обеспечивая тот самый углеродный цикл, что на океанидах считался невозможным.

Тепло? Бог с ними, с мухами!

Очередным весомым фактором сверхобитаемости Эллер и Армстронг справедливо посчитали среднюю температуру поверхности. Учёные констатируют: видовое разнообразие и биопродуктивность в абсолютных цифрах в тропиках выше, чем в умеренном климате; следовательно, в периоды истории Земли, когда на ней было теплее, чем сегодня, её биота была отличалась б?льшим разнообразием и многочисленностью, чем в наши дни, когда планета в целом имеет 14–15 °C. Мы уже ждём ваших вопросов «А как же глобальное потепление?» — и авторы специально поясняют, что сверхобитаемой тёплая планета будет только в том случае, если это её привычный климат, а если вы на 14-градусной Земле устроите резкое потепление, то вымирание видов случится, простите, по-любому. Собственно говоря, всё это уже есть, хотя пока в основном и по другим причинам.

Наши учёные мужи оговариваются: поднимать среднюю температуру выше 25°C тоже неразумно, поскольку в этом случае в океанской воде будет слишком мало кислорода (пермское вымирание), что приведёт сначала к массовой гибели морской жизни, а затем и вымиранию связанной с ней наземной. Тем не менее в диапазоне 15–25°C они полагают планету более обитаемой, чем Земля.

Несколько неожиданным фактором сверхобитаемости названа... обитаемость. Нет, это масло не масленое: дело в том, что, судя по целому ряду признаков, чем раньше жизнь возникает и чем усиленней развивается, тем лучше условия для неё. Не верите? Эллер и Армстронг напоминают: возникновение несомненно биогенного кислорода в атмосфере 2,5 млрд лет назад вначале вызвало вымирание. Однако почти сразу после этого океаны были заселены водорослями, которые впоследствии резко изменили мир, обусловив появление животных, их поедающих, а затем и колонизацию планетарной суши.

Наконец, недавнее появление методов фотосинтеза, который идёт при более низком содержании углекислого газа, означает настоящий прорыв в обитаемости нашей Земли. В течение следующих 500 млн лет концентрация углекислого газа упадёт ниже 50 частей на миллион, ведь по мере нагрева планеты углекислый газ всё сильнее будет связываться горными породами. То есть C3-фотосинтезу, а вместе с ним и деревьям с лесами определённо придет конец. Фотосинтез С4, изобретённый некоторыми цветковыми, станет той единственной вещью, которая позволит выжить наземным растениям и поедающим им животным, включая, возможно, нас. Вывод прост: чем дольше обитаема планета, тем выше её шансы на сверхобитаемость, поскольку биосфера явно модифицирует планетарную среду и одновременно изменяется под неё сама, добиваясь максимальной отдачи на единицу доступных ресурсов.

А ещё хорошо бы, чтобы обитаемой была не только сама экзопланета, но и соседи по системе. В вышеупомянутых сценариях Венеры на месте Марса и Луны весом в пол-Земли с высокой вероятностью жизнь возникает и сможет развиваться более чем на одном теле Солнечной системы. Авторы считают, что при этом неизбежен взаимный обмен формами жизни и вытекающая из этого вспышка биоразнообразия, трудноопределимая для планет, которые являются единственными обитаемыми в системе.

Звезда: не слишком белая, не слишком красная

Важной учёные считают и массу «системной» звезды. Светила легче 0,6 солнечной массы будут излучать волны в основном в районе 700 нм (ИК) и более, в то время как Солнце даёт свет с длиной волны от 400 до 700 нм. Авторы не вдаются в описание возможностей экстремофилов выживать и фотосинтезировать под таким светом, поэтому полагают экзопланеты у красных карликов непригодными для «сверхобитаемости». Мимоходом, правда, они замечают, что банальная цианобактерия, которая, строго говоря, совсем не экстремофил, вполне может фотосинтезировать при помощи хлорофилла d, то есть при длине волны входящего света более 700 нм и вплоть до 750 нм. Правда, условия Земли (те самые 400–700 нм) даже хлорофилл d делают востребованным только в морских глубинах, так что, вообще говоря, мы понятия не имеем о том, насколько мог бы сдвинуться в ИК хлорофилл в системах красных карликов.

Но и слишком массивное солнце — это тоже плохо. Сегодня мы располагаем атмосферой, которая почти полностью поглощает ультрафиолет в диапазоне 200–285 нм и в основном — в диапазоне 285–315 нм. Однако, отмечают Эллер и Армстронг, там, где озонового слоя нет или он слаб (а в бескислородной атмосфере это немудрено), слишком сильное УФ-излучение, разрушающее ДНК, не даст местной жизни в прямом смысле поднять голову. Кстати, в основном в УФ-диапазоне излучают белые звёзды главной последовательности класса F, следующие по массивности за классом жёлтых карликов, к которому принадлежит Солнце. И ещё одно: оранжевые карлики, способные порождать свет, используемый нынешними земными растениями, имеют гораздо меньше ультрафиолета в своём излучении, из-за чего авторы считают их системы сверхобитаемыми: жизни там возникнуть проще, разовьётся она раньше, что — смотри выше — дополнительно поднимет обитаемость мира у оранжевого солнца.

Не слишком массивные звезды несколько легче Солнца имеют и другую приятную особенность: они долго живут. На главной последовательности они существуют 15–30 млрд лет, то есть пока ни одна из них ещё не умерла, просто в силу ограниченного возраста Вселенной. Из этого легко понять, что поскольку сверхобитаемость прямо зависит от срока существования жизни на экзопланете, то и тела у долгоживущих звёзд умеренной массы автоматически находятся в выгодном положении относительно Земли. Если мы зажаримся в ближайший миллиард лет от роста солнечной светимости, то такие же процессы у оранжевых карликов происходят в 2–3 раза медленнее, то есть до закипания океанов у них не 5–6 млрд лет, как у нашей планеты с её желтым Солнцем, а полноценные десяток–полтора миллиардов.

Луна: хранитель жизни на Земле или враг её сверхобитаемости?

А вот часто эксплуатируемый сторонниками теории «уникальной Земли» наклон оси вращения планеты авторы к факторам «сверхобитаемости» относить не готовы. Их точка зрения проста: считается, что Земля идеальна для жизни – а значит, наклон оси вращения необходим планете, чтобы на ней зародилась жизнь (термодинамическая нестабильность и т. п.). Поскольку стабильность наклона нашей оси вращения объясняется влиянием случайно возникшей из-за межпланетного бильярда Луны, то вероятность повтора таких условий для возникновения жизни мала, рассуждают «уникальщики».

Интересная логика, говорят нам Эллер и Армстронг. Да только для её работы желателен (а то и необходим для развития жизни) постоянный наклон земной оси; кроме того, предположительно благоприятная роль этого фактора не должна подавляться известным влиянием Луны на скорость вращения Земли. Все как-то забывают в подобных спорах о том, что наши сутки сейчас впятеро короче, чем были 4,5 млрд лет тому назад. Следовательно, Луна сильно поменяла и наш климат, и много чего ещё. В лучшую ли сторону, учитывая, что суточные колебания температур явно выросли и вряд ли на 20%?..

Выясняются и другие интересные вещи. Во-первых, недавняя работа показала, что ось вращения Земли вполне могла быть стабильной и без крупного спутника типа Луны. Другая группа учёных и вовсе заявила, что стабильность наклона оси вращения не то что необязательна, а прямо нежелательна для развития живых существ. То есть, натурально, меняющийся наклон земной оси был бы лучше для эволюции жизни. Возьмем, например, общее замерзание планеты, случившееся несколько сот миллионов лет назад: при изменении наклона оси Земля постепенно разморозилась бы из-за нарушения обратной связи «лёд — альбедо». Более того, исподволь меняющийся наклон земной оси провоцировал бы ползучую, но непрерывную эволюцию живых существ, не давая экосистемам застаиваться в теплично-парниковых условиях неизменного климата и тем самым делая их менее уязвимыми ко всяким падающим астероидам и прочим беспардонным явлениям внешнего, астрономического происхождения, которые подозреваются в частом провоцировании массовых вымираний на Земле. Так что, увы и ах, Эллер и Армстронг полагают вполне вероятным, что, не будь у Земли массивного спутника — и наша жизнь могла бы быть лучше, а то и веселее.

Больше газа — больше жизни?

И два слова об атмосфере. Резонно считается, что более массивные аналоги Земли будут иметь более плотную газовую оболочку, и, по всем признакам, замечают авторы, это явный помощник достижения биопроцветания. Более стабильный климат без резких и быстрых колебаний, лучшая защита от космической радиации и ультрафиолета вряд ли могут негативно повлиять на жизнь. Наконец, говорят Эллер и Армстронг, нынешний 21% кислорода в атмосфере тоже далеко не идеален. Хотя кислород выше 35% в атмосфере резко усложнил бы жизнь на планете (самопроизвольно возгорались бы леса), содержание этого газа в диапазоне 22–35% явно ускорит метаболизм наземных и морских животных и растений, с понятными благоприятными последствиями.

Общий вывод из работы вполне очевиден. Мы не знаем, купили ли уже авторы акции компании, продающей места на первый рейс к Альфе Центавра, но это, безусловно, очень солидный промоушен ближайшей звёздной системы, где, кстати, есть одна планета с размерами, близкими к земным. Её звезда — ? Центавра B — вполне средний оранжевый карлик (K1 V), примерно на миллиард лет старше Солнца. Статистика известных экзопланет как бы намекает, что там, скорее всего, будут и «суперземли». Учитывая, что они массивнее нашей планеты и старше её, можно предполагать, что сверхобитаемые миры есть именно там. Будем надеяться, что рейс Земля — Центавра пока привлекает только одну сторону.

http://compulenta.computerra.ru/universe/SETI/10010848/