Поскольку Космический телескоп Kepler был запущен в космос, число известных планет за пределами нашей Солнечной системы (экзопланет) выросло в геометрической прогрессии. В настоящее время подтверждено 3917 планет в 2918 звездных системах, а 3368 ожидают подтверждения. Из них около 50 орбит находятся в околозвездной обитаемой зоне их звезды (также известной как «Златовласка») - расстояние, на котором жидкая вода может существовать на поверхности планет.
Тем не менее, недавние исследования выявили вероятность того, что мы считаем зону обитаемости слишком оптимистичной. Согласно новому исследованию, недавно появившемуся в Интернете под названием «Ограниченная обитаемая зона для сложной жизни», обитаемые зоны могут быть гораздо уже, чем первоначально предполагалось. Эти находки могут оказать решающее влияние на число планет, которые ученые считают «потенциально обитаемыми».
Исследование было проведено Эдвардом В. Швитерманом, научным сотрудником НАСА в Университете Калифорнии, Риверсайд, и включало исследователей из команды Альтернативных Земель (часть Института астробиологии НАСА), Nexus for Exoplanet System Science (NExSS), и Институт космических исследований имени Годдарда НАСА.
Согласно предыдущим оценкам, основанным на Kepler По данным, ученые пришли к выводу, что в одной только Галактике Млечный Путь может быть 40 миллиардов планет земного типа, 11 миллиардов из которых, вероятно, будут вращаться, как звезды нашего Солнца (то есть желтые карлики G-типа). Другое исследование показало, что это число может достигать 60 миллиардов или даже 100 миллиардов, в зависимости от параметров, которые мы используем для определения обитаемых зон.
Эти результаты, безусловно, обнадеживают, поскольку они предполагают, что Млечный Путь может изобиловать жизнью. К сожалению, более поздние исследования внезолненных планет поставили под сомнение эти предыдущие оценки. Это особенно верно, когда речь идет о планетах с тидальной блокировкой, которые вращаются вокруг звезд M-типа (красный карлик).
Кроме того, исследование того, как жизнь развивалась на Земле, показало, что вода сама по себе не гарантирует жизни, равно как и присутствие кислорода в газе. В дополнение к этому Швитерман и его коллеги рассмотрели две другие основные биосигнатуры, которые важны для жизни, как мы ее знаем, - двуокись углерода и окись углерода.
Слишком много этих соединений будет токсичным для сложной жизни, тогда как слишком мало будет означать, что ранние прокариоты не появятся. Если жизнь на Земле является каким-либо показателем, основные жизненные формы необходимы для развития более сложных, потребляющих кислород форм жизни. По этой причине Швитерман и его коллеги пытались пересмотреть определение обитаемой зоны, чтобы учесть это.
Чтобы быть справедливым, вычисление протяженности обитаемой зоны никогда не бывает легким. Помимо расстояния до звезды температура поверхности планеты зависит от различных механизмов обратной связи в атмосфере, таких как парниковый эффект. Вдобавок к этому, общепринятое определение обитаемой зоны предполагает существование «земных» условий.
Это подразумевает атмосферу, которая богата азотом, кислородом, углекислым газом и водой и стабилизирована тем же процессом карбонатно-силикатного геохимического цикла, который существует на Земле. В этом процессе седиментация и выветривание приводят к тому, что силикатные породы становятся углеродистыми, в то время как геологическая активность заставляет углеродные породы снова становиться основанными на силикатах.
Это приводит к петле обратной связи, которая гарантирует, что уровни углекислого газа в атмосфере остаются относительно стабильными, что позволяет повысить температуру поверхности (иначе как парниковый эффект). Чем ближе планета к внутреннему краю обитаемой зоны, тем меньше требуется углекислого газа для этого. Как объяснил Швитерман в недавней статье MIT Technology Review:
«Но для средних и внешних областей обитаемой зоны концентрации углекислого газа в атмосфере должны быть намного выше, чтобы поддерживать температуру, благоприятную для поверхностной жидкой воды».
Чтобы проиллюстрировать это, команда использовала в качестве примера Kepler-62f, суперземлю, которая вращается вокруг звезды K-типа (немного меньше и тусклее, чем наше Солнце), расположенной примерно в 990 световых годах от Земли. Эта планета вращается вокруг своей звезды примерно на том же расстоянии, что и Венера относительно Солнца, но меньшая масса звезды означает, что она находится на внешнем краю обитаемой зоны.
Когда она была открыта в 2013 году, эта планета считалась хорошим кандидатом для внеземной жизни, при условии наличия достаточного парникового эффекта. Тем не менее, Швитерман и его коллеги подсчитали, что потребовалось бы в 1000 раз больше углекислого газа (от 300 до 500 килопаскалей), чем того, что существовало на Земле, когда впервые появились сложные формы жизни (около 1,85 миллиарда лет назад).
Однако это количество углекислого газа будет токсичным для большинства сложных форм жизни здесь, на Земле. В результате Kepler-62f не был бы подходящим кандидатом для жизни, даже если бы он был достаточно теплым, чтобы иметь жидкую воду. Как только они учли эти физиологические ограничения, Швитерман и его команда пришли к выводу, что обитаемая зона для сложной жизни должна быть значительно уже - четверть того, что было ранее оценено.
Швитерман и его коллеги также подсчитали, что некоторые экзопланеты, вероятно, имеют более высокие уровни окиси углерода, потому что они вращаются вокруг холодных звезд. Это накладывает значительные ограничения на обитаемые зоны звезд красных карликов, на долю которых приходится 75% звезд во Вселенной, и которые, как полагают, являются наиболее вероятным местом для поиска планет, которые являются земными (то есть скалистыми) по своей природе.
Эти результаты могут иметь серьезные последствия для того, что ученые считают «потенциально обитаемым», не говоря уже о границах обитаемой зоны звезды. Как объяснил Швитерман:
«Одним из следствий этого является то, что мы не можем ожидать появления признаков разумной жизни или техносигнатур на планетах, вращающихся вокруг поздних M-карликов или на потенциально обитаемых планетах вблизи внешнего края их обитаемых зон».
Чтобы еще больше усложнить ситуацию, это исследование является одним из нескольких, налагающих дополнительные ограничения на то, что в последнее время можно считать обитаемыми планетами. Только в 2019 году было проведено исследование, которое показывает, что звездные системы красных карликов могут не иметь необходимого сырья для формирования жизни, и что звезды красных карликов могут не обеспечивать достаточное количество фотонов для осуществления фотосинтеза.
Все это дополняет очевидную возможность того, что жизнь в нашей галактике может быть реже, чем считалось ранее. Но, конечно, знание какой-либо определенности границ пригодности потребует дополнительных исследований. К счастью, нам не придется ждать слишком долго, чтобы выяснить это, так как несколько телескопов следующего поколения заработают в ближайшее десятилетие.
К ним относятся Космический телескоп Джеймса Вебба (JWST), Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT) и Гигантский Магелланов Телескоп (ВРЕМЯ ПО ГРИНВИЧУ). Ожидается, что эти и другие передовые инструменты позволят проводить гораздо более детальные исследования и характеристики экзопланет. И когда они это сделают, у нас будет лучшее представление о том, насколько вероятна жизнь там.
