Жизнь в багровом свете
Это, однако, не гарантирует главного для нас – возможности существования жизни на таких планетах. По установившемуся в науке мнению, спонтанное появление жизни на планете требует, прежде всего, наличия на ней жидкой воды. Это означает, что температура на поверхности планеты должна быть выше точки замерзания воды и ниже точки ее кипения. А поскольку температура на планете зависит прежде всего от количества тепла, получаемого ею от своей звезды, а это количество, в свою очередь, зависит от расстояния между звездой и планетой, то в астрономии появился термин «пояс обитаемости».
Так называется полоса между двумя расстояниями от планеты до звезды - минимальным (ближе которого вода на планете превратится в пар) и максимальным (дальше которого она превратится в лед). Разумеется, конкретные размеры этого пояса зависят от яркости звезды. В нашей Солнечной системе, например, эти расстояния составляют от 0.95 до 1.01 а.е., где а.е. – расстояние от Земли до Солнца. Иными словами, Земля «как раз» находится в этом узком пояске – ни Венера, ни Марс в него не попадают (по другим расчетам Марс все же попадает). У разных звезд эти расстояния разные: около звезд-гигантов пояса обитаемости, понятно, отодвигаются, а около звезд типа красных карликов, напротив, проходят почти возле звезды.
Идея оценивать вероятность жизни на планете с помощью таких «околозвездных поясов обитаемости» была выдвинута еще в 1950-60е годы. Затем, по аналогии, было введено понятие «галактических поясов обитаемости. В самом деле, для существования жизни недостаточно, чтобы планета находилась в поясе обитаемости около своей звезды – сама звезда должна находиться в поясе обитаемости своей галактики, т.е. на таком расстоянии от ее центра, где еще достаточно велика концентрация тяжелых химических элементов (необходимых для появления ДНК и белков), но уже не так высока идущая из центра радиация, способная убить жизнь на планете, и не так велико тяготение центральных звезд, способное нарушить устойчивость планетной орбиты. (По аналогии было введено и понятие «околопланетного пояса обитаемости» для достаточно больших спутников огромных планет-гигантов).
С другой стороны, вероятность обитаемости зависит также от собственных свойств планеты. Например, супер-Земли, благодаря своей большей массе, должны иметь более толстую атмосферу, а значит и более сильный «парниковый эффект» (удержание тепла этой атмосферой) и потому вода на них может оставаться жидкой и на более далеких расстояниях от своей звезды.
Все эти и другие физико-химические соображения привели, в конце концов, к появлению детально разработанной теории «поясов обитаемости», что позволило теоретически оценить вероятное число пригодных для жизни планет во вселенной. Соответствующие расчеты Д. Оверби и других (2009-13 гг.) показали, что в одной только нашей галактике должно существовать 40 миллиардов (!) планет земного размера, попадающих в поясах обитаемости около звезд типа нашего Солнца или красных карликов), причем ближайшая такая планета должна находиться уже в радиусе 12 световых лет от нас.
Увы, как легко заметить, эти теоретические данные резко отличаются от практических результатов, полученных с помощью «Кеплера» и других телескопов. К 2013 году эти телескопы обнаружили всего 12 таких планет, а ныне опубликованные данные «Кеплера» добавили к этому списку еще 9 планет, находящихся в поясах обитаемости (из 500 с лишним, не попадающих в эти пояса), и таким образом их общее число на сегодняшний день составило всего 21. К тому же часть из них обращается вокруг звезд типа красных карликов, а это существенно снижает шансы на их реальную обитаемость, потому что пояса обитаемости около таких звезд проходят, как уже сказано, очень близко к этим звездам, и их сильное тяготение создает внутри планет мощные приливные волны, которые в конце концов, останавливают вращение планет вокруг своей оси и они всегда обращены к своим звездам одной какой-то стороной, подобно нашему Меркурию. Кроме того, возникновению жизни на планетах красных карликов мешает также и «привычка» звезд этого типа очень часто и внезапно выбрасывать огромные факелы раскаленного вещества.
К счастью, за прошедшие годы проблема обитаемости планет получила дальнейшее развитие, и сегодня найдены новые (правда, пока еще лишь гипотетические) возможности, выходящие за границы прежних «поясов обитаемости». Самой очевидной является в этом плане гипотеза «обитаемых спутников» планет-гигантов. Таких спутников должно быть много больше, чем самих гигантских планет, – например, в нашей системе, Юпитер, Сатурн и Уран имеют десятки спутников каждый, причем многие из этих спутников превосходят размером Луну, имеют атмосферу, а на некоторых (Европа и др.) подозревают наличие подледных океанов, где могли бы развиться особые формы жизни.
К сожалению, возможности современной телескопии пока недостаточны для выявления таких спутников у внесолнечных планет-гигантов. Не поддается наблюдательной проверке и другая соблазнительная гипотеза, которая также увеличивает вероятность существования жизни в космосе; эта гипотеза утверждает, что жизнь может зародиться и существовать даже вне привычных «поясов обитаемости» - в глубинах «внутри-планетных» океанов, в которых вода остается в жидком состоянии, либо благодаря теплу, образуемому в ходе радиоактивного распада или приливных волн в недрах планеты, либо за счет смешения этой воды с различными солями, понижающими температуру замерзания.
В рамках этой гипотезы обсуждаются и более экстравагантные варианты – например, возможность появления жизни на планетах, где в роли воды выступают растворы других химических веществ, способствующие зарождению биологической активности (и быть может, даже в незнакомых нам формах). В последнее время список таких гипотез, расширяющих возможные границы обитаемости во вселенной, пополнился еще одной, быть может самой экстравагантной. Эта гипотеза утверждает, что жизнь в звездных системах может «воскреснуть» даже после их смерти. Тем самым она, одним махом, практически «удваивает» вероятность обнаружить жизнь во вселенной. Недавно эту оптимистическую гипотезу подробно обосновали американские астрономы Лиза Кальтенеггер и Рамзес Рамирес в статье, опубликованной в мае 2016 года на страницах Astrophysical Journal. Их обоснование покоится на детальном анализе «биографии» звезд, и поэтому нам придется коротко коснуться этого вопроса.
Как известно, звезды рождаются в результате коллапса (под влиянием собственной гравитации) гигантских газопылевых облаков; их планеты рождаются (если рождаются) практически одновременно из остатков этого «материала». Длительное изучение всевозможных видов звезд привело астрономов к выводу, что их можно разделить при рождении на три класса – «карлики», «средние» и «гиганты». Гиганты – это звезды с массой, как минимум 10 солнечных, или 10 МС (верхний предел – около 150 МС). Поскольку они так массивны, давление и температура в их ядре очень высока, и ядерные реакции в нем сменяются очень быстро, и все кончается взрывом звезды в виде сверхновой и уплотнением ее остатка до нейтронной звезды или черной дыры. Появление жизни возле таких звезд-гигантов маловероятно.
Сложнее биография «карликов». Карликовые звезды с массой от 13 масс Юпитера до 0.1 МС называются «коричневыми карликами». На самых массивных из них может начаться реакция превращения тяжелого водорода в гелий, более легкие светятся за счет энергии, выделяемой при сжатии, но в любом случае такие звезды мало-помалу гаснут. Срок их жизни составляет сотни миллионов лет. При массе 0.1- 0.2 МС внутри карлика начинается ядерная реакция превращения водорода в гелий, за счет этого они светятся красным или инфракрасным светом и живут очень долго, по расчетам – сотни млрд лет, превращаясь затем белые карлики (звезды планетных размеров и звездных масс).
У красных карликов с массой до 0.5 МС судьба та же, но температуры в них выше и поэтому они перед самым концом раздуваются, превращаясь в красные гиганты, после чего претерпевают коллапс. Вопрос о возможности длительного существования обитаемых планет возле красных карликов до сих пор вызывает большие споры среди специалистов в силу указанных выше особенностей этих звезд.
Наиболее вероятно появление обитаемых планет около звезд средней группы (1-10 МС), к которым относится и наше Солнце. Биография этих звезд еще более сложна. Их ядерные реакции идут быстрее, чем в красных карликах, и поэтому стационарный этап жизни таких звезд занимает «всего» 10-12 миллиардов лет, после чего они тоже превращаются в красные гиганты. Возраст нашего Солнца 4.5 млрд лет и оно, находится, таким образом, на полпути к кончине.
Но в отличие от красных карликов у звезд типа Солнца кончин две. После того, как такая звезда превращается в красный гигант; в ядерные реакции внутри нее вступает также гелий; когда же выгорает и он, превращаясь в более тяжелые элементы, звезда переходит в фазу «второй кончины»: ее температура стремительно повышается, она раздувается еще более, взрывается, сбрасывает свои верхние слои, которые превращаются в т.н. «планетарную туманность», а ее остаток становится белым карликом.
Время между этими двумя кончинами составляет (в зависимости от массы звезд) от нескольких десятком миллионов до одного–двух миллиардов лет. И именно этот период стал предметом детального изучения в статье Кальтенеггер-Рамиреса. Полученные ими теоретические выводы можно наглядно объяснить на примере нашего Солнца. Расчеты авторов показывают, что, превратившись (через 5.5 млрд лет) в красный гигант, оно поглотит все внутренние планеты, а его пояс обитаемости передвинется так, что в него попадут Юпитер, Сатурн и, возможно, Уран со всеми их спутниками. Орбиты этих планет отодвинутся тоже, но красный гигант будет излучать больше, и суммарно может оказаться что климатические условия на этих далеких спутниках окажутся подходящими для появления там новой жизни (или развитие уже существующей на них зачаточной).
Ясно, что то же самое верно и для других звезд, перешедших в фазу красного гиганта. Разумеется, реальная возможность такого «воскресения» зависит от длительности этой промежуточной фазы. Авторы подсчитали эту длительность для звезд среднего класса с тем же химическим составом, что наше Солнце, но с разной поверхностной температурой в стационарной фазе. Для самых горячих звезд (10000 градусов) длительность пребывания в промежуточной фазе оказалась порядка 200 млн лет, что явно недостаточно для появления жизни. Но для звезд типа Солнца (6000 градусов) длительность этой фазы уже 1-2 млрд лет, а для самых холодных звезд (3700 градусов) – целых 9 млрд лет! За это время жизнь на крупных спутниках, малых планетах и даже супер-Землях возле таких красных гигантов вполне может «воскреснуть» или или появиться впервые.
На этой оптимистической ноте мы и закончим наш рассказ, сделав вид, будто не заметили, что нашей земной жизни срок в любом случае уже отмерен.
Рафаил Нудельман
"Окна", 4.08.2016