Бедные металлами звезды более благоприятны для жизни, выяснили ученые

Звезды, содержащие сравнительно большое количество тяжелых элементов, создают менее благоприятные условия для возникновения сложной жизни, чем звезды с низким содержанием металлов.

Это выяснили ученые из институтов Макса Планка по исследованию Солнечной системы и химии, а также из Геттингенского университета, говорится в пресс-релизе Общества им. Макса Планка.

Команда показала, как металличность звезды связана со способностью её планет окружать себя защитным озоновым слоем. Решающее значение для этого имеет интенсивность ультрафиолетового света, который звезда излучает в космос в различных диапазонах длин волн. Это исследование дает ученым, которые ищут с помощью космических телескопов пригодные для жизни звездные системы, важные подсказки о том, где начало таких поисков должно быть особенно перспективным.

Оно также позволяет сделать поразительный вывод: по мере старения Вселенной она становится все более неблагоприятной для возникновения сложной жизни на новых планетах.

В поисках пригодных для жизни или даже обитаемых планет, вращающихся вокруг далеких звезд, исследователи в последние годы все больше внимания уделяют газовым оболочкам этих миров. Есть ли в данных наблюдений признаки наличия атмосферы? Возможно, она даже содержит такие газы, как кислород или метан, которые на Земле образуются почти исключительно как продукты метаболизма живых организмов?

В ближайшие годы такие наблюдения будут доведены до новых пределов: космический телескоп "Джеймс Уэбб" позволит не только получить характеристики атмосфер больших газовых гигантов, таких как супернептуны, но и впервые проанализировать гораздо более слабые спектрографические сигналы от атмосфер скалистых планет.

С помощью численного моделирования текущее исследование, опубликованное 18 апреля в журнале Nature Communications, обращается к содержанию озона в атмосферах экзопланет. Как и на Земле, это соединение из трех атомов кислорода может защищать поверхность планеты (и формы жизни, живущие на ней) от ультрафиолетового (УФ) излучения, разрушающего клетки.

Таким образом, защитный слой озона является важным условием для возникновения сложной жизни. «Мы хотели понять, какими свойствами должна обладать звезда, чтобы на ее планетах образовался защитный озоновый слой», - объясняет основную идею Анна Шапиро, ученый из Института Макса Планка по исследованию Солнечной системы и первый автор этого исследования.

Как часто бывает в науке, эта идея была вызвана более ранним открытием. Три года назад исследователи под руководством Института исследований Солнечной системы имени Макса Планка сравнили изменения яркости Солнца с изменениями яркости сотен звезд, похожих на Солнце. Результат: интенсивность видимого света от многих из этих звезд колеблется гораздо сильнее, чем в случае с Солнцем. «Мы увидели огромные пики интенсивности», - говорит Александр Шапиро, который участвовал как в анализе трехлетней давности, так и в текущем исследовании.

«Поэтому вполне возможно, что Солнце тоже способно на такие скачки интенсивности. В этом случае интенсивность ультрафиолетового излучения также резко возрастает», - добавляет он.

«Естественно, мы задались вопросом, что это может означать для жизни на Земле и какова ситуация в других звездных системах», - говорит Сами Соланки, директор Института Макса Планка по исследованию Солнечной системы и соавтор обоих исследований.

Двойная роль ультрафиолетового излучения

На поверхности примерно половины всех звезд, вокруг которых вращаются экзопланеты, температура колеблется от 5 000 до 6 000 градусов Цельсия. Поэтому в своих расчетах исследователи обратились к этой подгруппе. Солнце с температурой поверхности около 5500 градусов Цельсия также относится к ним. «В химии земной атмосферы ультрафиолетовое излучение Солнца играет двойную роль», - объясняет Анна Шапиро, чей прошлый исследовательский интерес был сосредоточен на воздействии солнечной радиации на атмосферу Земли.

В реакциях с отдельными атомами кислорода и молекулами кислорода озон может как создаваться, так и разрушаться. В то время как длинноволновое УФ-В излучение разрушает озон, коротковолновое УФ-С излучение способствует созданию защитного озона в средней атмосфере. «Поэтому было разумно предположить, что ультрафиолетовое излучение может оказывать такое же сложное воздействие и на атмосферы экзопланет», - добавляет астроном. Точные длины волн имеют решающее значение.

Поэтому исследователи точно рассчитали, какие длины волн составляют ультрафиолетовый свет, излучаемый звездами. Впервые они также учли влияние металличности. Это свойство описывает соотношение водорода и более тяжелых элементов (упрощенно и несколько ошибочно называемых астрофизиками "металлами") в строительном материале звезды. В случае с Солнцем на каждый атом железа приходится более 31000 атомов водорода. В исследовании также рассматривались звезды с более низким и более высоким содержанием железа.

Симулированное взаимодействие ультрафиолетового излучения с газами

На втором этапе команда исследовала, как рассчитанное УФ-излучение повлияет на атмосферы планет, вращающихся вокруг этих звезд на расстоянии, благоприятном для жизни. Расстояние, благоприятное для жизни, — это расстояние, на котором на поверхности планеты возможна умеренная температура — ни слишком жаркая, ни слишком холодная для жидкой воды. Для таких миров команда смоделировала на компьютере, какие именно процессы в атмосфере планеты запускает характерный ультрафиолетовый свет родительской звезды.

Для расчета состава планетарных атмосфер исследователи использовали химико-климатическую модель, которая имитирует процессы, контролирующие кислород, озон и многие другие газы, а также их взаимодействие с ультрафиолетовым излучением звезд с очень высоким спектральным разрешением. Эта модель позволила исследовать широкий спектр условий на экзопланетах и сравнить их с историей земной атмосферы за последние полмиллиарда лет.

В этот период установилось высокое содержание кислорода в атмосфере и озоновый слой, что позволило эволюционировать жизни на суше на нашей планете. «Вполне возможно, что история Земли и ее атмосферы содержит подсказки об эволюции жизни, которые могут быть применимы и к экзопланетам», - говорит Йос Леливельд, управляющий директор Института химии Макса Планка, который участвовал в исследовании.

Многообещающие кандидаты

Результаты моделирования удивили ученых. В целом, бедные металлами звезды излучают больше ультрафиолета, чем их богатые металлами собратья. Но соотношение УФ-С излучения, генерирующего озон, и УФ-В излучения, разрушающего озон, также сильно зависит от металличности: у бедных металлами звезд преобладает УФ-С излучение, что позволяет сформировать плотный озоновый слой. У богатых металлами звезд, где преобладает УФ-В излучение, эта защитная оболочка гораздо более разреженная.

«Вопреки ожиданиям, бедные металлами звезды должны обеспечивать более благоприятные условия для возникновения жизни», - заключает Анна Шапиро.

Это открытие может оказаться полезным для будущих космических миссий, таких как миссия Европейского космического агентства Plato, которая будет прочесывать огромное количество звезд в поисках признаков пригодных для жизни экзопланет. Одноименный зонд с 26 телескопами на борту запустят в космос в 2026 году, и он сосредоточит свое внимание прежде всего на планетах, похожих на Землю, вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце, на расстояниях, пригодных для жизни.

Центр обработки данных миссии сейчас создается в Институте исследований Солнечной системы имени Макса Планка. «Наше текущее исследование дает нам ценные подсказки о том, на какие звезды Платону следует обратить особое внимание», - говорит Лоран Гизон, управляющий директор Института и соавтор текущего исследования.

Парадоксальный вывод

Более того, исследование приводит к почти парадоксальному выводу: по мере старения Вселенной она, скорее всего, будет становиться все более враждебной для жизни. Металлы и другие тяжелые элементы образуются внутри звезд в конце их жизни, которая длится несколько миллиардов лет, и — в зависимости от массы звезды — выбрасываются в космос в виде звездного ветра или при взрыве сверхновой: это строительный материал для следующего поколения звезд.

«Поэтому каждая вновь формирующаяся звезда имеет больше строительного материала, богатого металлами, чем ее предшественники. С каждым поколением, звезды во Вселенной становятся все богаче металлами», - говорит Анна Шапиро. Согласно новому исследованию, вероятность того, что в звездных системах зародится жизнь, также уменьшается по мере старения Вселенной.

Однако поиски жизни не безнадежны. В конце концов, многие звезды-хозяева экзопланет имеют такой же возраст, как и Солнце. И эта звезда действительно известна тем, что по крайней мере на одной из ее планет существуют сложные и интересные формы жизни.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.