Бідні на метали зорі більш сприятливі для життя, з’ясували вчені

Зорі, що містять порівняно велику кількість важких елементів, створюють менш сприятливі умови для виникнення складного життя, ніж зорі з низьким вмістом металів.

Це з'ясували вчені з інститутів Макса Планка з дослідження Сонячної системи та хімії, а також із Геттінгенського університету, йдеться в пресрелізі Товариства ім. Макса Планка.

Команда показала, як металічність зірки пов'язана зі здатністю її планет оточувати себе захисним озоновим шаром. Вирішальне значення для цього має інтенсивність ультрафіолетового світла, яке зірка випромінює у космос у різних діапазонах довжин хвиль. Це дослідження дає вченим, які шукають за допомогою космічних телескопів придатні для життя зоряні системи, важливі підказки про те, де початок таких пошуків мають бути особливо перспективним.

Воно також дає змогу зробити приголомшливий висновок: у міру старіння Всесвіту він стає дедалі несприятливішим для виникнення складного життя на нових планетах.

У пошуках придатних для життя або навіть населених планет, що обертаються навколо далеких зірок, дослідники останніми роками все більше уваги приділяють газовим оболонкам цих світів. Чи є в даних спостережень ознаки наявності атмосфери? Можливо, вона навіть містить такі гази, як кисень або метан, які на Землі утворюються майже виключно як продукти метаболізму живих організмів?

Найближчими роками такі спостереження буде доведено до нових меж: космічний телескоп “Джеймс Вебб” надасть змогу не лише отримати характеристики атмосфер великих газових гігантів, як-от супернептуни, а й уперше проаналізувати набагато слабші спектрографічні сигнали від атмосфер скелястих планет.

За допомогою чисельного моделювання поточне дослідження, опубліковане 18 квітня в журналі Nature Communications, звертається до вмісту озону в атмосферах екзопланет. Як і на Землі, ця сполука з трьох атомів кисню може захищати поверхню планети (і форми життя, що живуть на ній) від ультрафіолетового (УФ) випромінювання, що руйнує клітини.

Таким чином, захисний шар озону є важливою умовою для виникнення складного життя. “Ми хотіли зрозуміти, якими властивостями має володіти зірка, щоб на її планетах утворився захисний озоновий шар”, - пояснює основну ідею Анна Шапіро, науковець з Інституту Макса Планка з дослідження Сонячної системи та перша авторка цього дослідження.

Як часто буває в науці, ця ідея була викликана більш раннім відкриттям. Три роки тому дослідники під керівництвом Інституту досліджень Сонячної системи імені Макса Планка порівняли зміни яскравості Сонця зі змінами яскравості сотень зірок, схожих на Сонце. Результат: інтенсивність видимого світла від багатьох із цих зірок коливається набагато сильніше, ніж у випадку з Сонцем. “Ми побачили величезні піки інтенсивності”, - каже Олександр Шапіро, який брав участь як в аналізі трирічної давності, так і в поточному дослідженні.

“Тому цілком можливо, що Сонце теж здатне на такі стрибки інтенсивності. У цьому разі інтенсивність ультрафіолетового випромінювання також різко зростає”, - додає він.

“Природно, ми задалися питанням, що це може означати для життя на Землі та яка ситуація в інших зоряних системах”, - каже Самі Соланкі, директор Інституту Макса Планка з дослідження Сонячної системи та співавтор обох досліджень.

Подвійна роль ультрафіолетового випромінювання

На поверхні приблизно половини всіх зірок, навколо яких обертаються екзопланети, температура коливається від 5 000 до 6 000 градусів Цельсія. Тому у своїх розрахунках дослідники звернулися до цієї підгрупи. Сонце з температурою поверхні близько 5500 градусів Цельсія також належить до них. “У хімії земної атмосфери ультрафіолетове випромінювання Сонця відіграє подвійну роль”, - пояснює Анна Шапіро, чий минулий дослідницький інтерес був зосереджений на впливі сонячної радіації на атмосферу Землі.

У реакціях з окремими атомами кисню й молекулами кисню озон може як створюватися, так і руйнуватися. У той час як довгохвильове УФ-В випромінювання руйнує озон, короткохвильове УФ-С випромінювання сприяє створенню захисного озону в середній атмосфері. “Тому було розумно припустити, що ультрафіолетове випромінювання може чинити такий самий складний вплив і на атмосфери екзопланет”, - додає астроном. Точні довжини хвиль мають вирішальне значення.

Новини за подібною темою:

		Виявлено "супер-Землю" в придатній для життя зоні
		Біля схожої на Сонце зорі астрономи знайшли планету розміром майже із Землю, але з "лавовою напівсферою"
		"Габбл" виявив динамічні зміни атмосфери на пекельній екзопланеті

Тому дослідники точно розрахували, які довжини хвиль складають ультрафіолетове світло, що випромінюється зірками. Уперше вони також врахували вплив металічності. Ця властивість описує співвідношення водню і важчих елементів (спрощено та дещо помилково званих астрофізиками "металами") у будівельному матеріалі зірки. У випадку із Сонцем на кожен атом заліза припадає понад 31000 атомів водню. У дослідженні також розглядалися зорі з нижчим і вищим вмістом заліза.

Симульована взаємодія ультрафіолетового випромінювання з газами

На другому етапі команда дослідила, як розраховане УФ-випромінювання вплине на атмосфери планет, що обертаються навколо цих зірок на відстані, сприятливій для життя. Відстань, сприятлива для життя, — це відстань, на якій на поверхні планети можлива помірна температура — ні занадто спекотна, ні занадто холодна для рідкої води. Для таких світів команда змоделювала на комп'ютері, які саме процеси в атмосфері планети запускає характерне ультрафіолетове світло батьківської зірки.

Для розрахунку складу планетарних атмосфер дослідники використовували хіміко-кліматичну модель, яка імітує процеси, що контролюють кисень, озон і багато інших газів, а також їхню взаємодію з ультрафіолетовим випромінюванням зірок з дуже високою спектральною роздільною здатністю. Ця модель дала змогу дослідити широкий спектр умов на екзопланетах і порівняти їх з історією земної атмосфери за останні пів мільярда років.

У цей період встановився високий вміст кисню в атмосфері та озоновий шар, що дало змогу еволюціонувати життю на суші на нашій планеті. “Цілком можливо, що історія Землі та її атмосфери містить підказки про еволюцію життя, які можуть бути застосовні й до екзопланет”, - каже Йос Лелівельд, керуючий директор Інституту хімії Макса Планка, який брав участь у дослідженні.

Багатообіцяльні кандидати

Результати моделювання здивували вчених. Загалом, бідні на метали зорі випромінюють більше ультрафіолету, ніж їхні багаті на метали побратими. Але співвідношення УФ-С випромінювання, що генерує озон, і УФ-В випромінювання, що руйнує озон, також сильно залежить від металічності: у бідних на метали зірок переважає УФ-С випромінювання, що дає змогу сформувати щільний озоновий шар. У багатих металами зірок, де переважає УФ-В випромінювання, ця захисна оболонка набагато більш розріджена.

“Всупереч очікуванням, бідні на метали зорі повинні забезпечувати більш сприятливі умови для виникнення життя”, - підсумовує Анна Шапіро.

Це відкриття може виявитися корисним для майбутніх космічних місій, таких як місія Європейського космічного агентства Plato, яка буде прочісувати величезну кількість зірок у пошуках ознак придатних для життя екзопланет. Однойменний зонд із 26 телескопами на борту запустять у космос 2026 року, і він зосередить свою увагу насамперед на планетах, схожих на Землю, що обертаються навколо зірок, схожих на Сонце, на відстанях, придатних для життя.

Центр обробки даних місії наразі створюється в Інституті досліджень Сонячної системи імені Макса Планка. “Наше поточне дослідження дає нам цінні підказки про те, на які зорі Платону слід звернути особливу увагу”, - каже Лоран Гізон, керуючий директор Інституту та співавтор поточного дослідження.

Парадоксальний висновок

Ба більше, дослідження призводить до майже парадоксального висновку: у міру старіння Всесвіту він, найімовірніше, ставатиме дедалі більш ворожим для життя. Метали та інші важкі елементи утворюються всередині зірок наприкінці їхнього життя, яке триває кілька мільярдів років, і — залежно від маси зірки — викидаються у космос у вигляді зоряного вітру або під час вибуху наднової: це будівельний матеріал для наступного покоління зірок.

“Тому кожна зірка, що знову формується, має більше будівельного матеріалу, багатого на метали, ніж її попередники. З кожним поколінням, зорі у Всесвіті стають дедалі багатшими на метали”, - каже Анна Шапіро. Згідно з новим дослідженням, ймовірність того, що в зоряних системах зародиться життя, також зменшується в міру старіння Всесвіту.

Однак пошуки життя не безнадійні. Зрештою, багато зірок-господарів екзопланет мають такий самий вік, як і Сонце. І ця зоря справді відома тим, що принаймні на одній з її планет існують складні та цікаві форми життя.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Екзопланети
• Пошук позаземного життя