12. Зона обитаемости. Астрофизик Сергей Попов о параметрах зоны обитаемости, парниковом эффекте и перспективах поиска жизни на экзопланетах.

https: //postnauka. ru/video/46121

< iframe height=" 439" src=" https: //www. youtube. com/embed/K8zi-iWDiSA" title=" YouTube video player" frameborder=" 0" allow=" accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen> < /iframe>

12. Зона обитаемости

СЕРГЕЙ ПОПОВ

Астрофизик Сергей Попов о параметрах зоны обитаемости, парниковом эффекте и перспективах поиска жизни на экзопланетах.

Какие условия необходимы для возникновения на экзопланетах жизни земного типа? Какое значение для существования жизни имеет парниковый эффект? Что может являться внешним источником воды на планете? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Сергей Попов.

Многие полагают, что одна из основных задач изучения экзопланет — это все-таки найти жизнь. У нас еще остаются надежды найти жизнь в Солнечной системе в какой-то простейшей форме, может быть, на спутниках Юпитера, спутниках Сатурна, может быть, мы узнаем, что когда-то на Марсе была жизнь. Но все-таки основная надежда найти жизнь, хоть как-то похожую на земную, — искать ее на экзопланетах, причем именно на планетах. У экзопланет могут быть спутники, могут быть свои европы, свои энцелады, но вряд ли с большого расстояния мы увидим следы существования этой жизни. Пока мы даже не знаем о существовании таких экзолун, как говорят. Кроме того, если те спутники похожи на спутники в Солнечной системе, то вряд ли там возможно существование жизни в развитой форме. Конечно, жизнь может быть очень разнообразной, но, говоря о поисках жизни, мы говорим о поисках жизни земного типа. Поэтому мы говорим о поисках жизни, похожей на нашу, на планетах, тоже похожих на нашу.

Здесь есть некоторые успехи. Мы знаем уже большое количество экзопланет, и в 2011 году люди начали открывать мелкие экзопланеты. Мелкие — то есть с массами и размерами, как у Земли, Марса или Венеры. К сожалению, пока масса и размер — это все, что мы можем измерить для экзопланеты. Плюс, конечно, мы знаем расстояние от экзопланеты до звезды, то есть можем посчитать, сколько энергии она получает от своего Солнца.

Здесь возникает важная концепция, которая по-английски называется habitable zone, и даже там идут споры, хорошее это название или нет. Например, кому-то нравится название «зона Златовласки», поскольку где-то она говорит, что нужно, чтобы было не слишком горячо, не слишком холодно. Я склонен скорее называть это зоной Шелдона Купера, который специально выбирал место на диване, где не слишком холодно, не слишком жарко и хорошо видно телевизор. Habitable zone по-русски чаще всего переводят как зона обитаемости — так мы и будем это называть.

Таким образом, поскольку мы можем определить, сколько энергии планета получает от своего Солнца, мы можем определить, находится ли она в зоне обитаемости, где не слишком жарко и не слишком холодно. Для чего? Для того чтобы на поверхности этой экзопланеты могла существовать вода. Мы считаем, что жизнь земного типа возможна, только если на поверхности есть большое количество жидкой воды. Возможны всякие варианты: какая-нибудь подземная жизнь, большие подземные водоемы, — но все это, скорее всего, не позволит жизни развиться до очень высоких форм — это раз, а во-вторых, будет труднее обнаружить ее следы. Поэтому мы говорим о зонах обитаемости в применении к жидкой воде на поверхности планеты. И примерно с 2012 года люди начали открывать маленькие, похожие по размерам на Землю или Венеру планеты в зонах обитаемости.

Сейчас мы знаем, что таких планет много, они не являются какой-то редкостью. Знаем мы их порядка десятка, может быть, несколько десятков, если не так строго подходить к определению зоны обитаемости. Но мы можем уже навести статистику, и современные оценки показывают, что несколько процентов звезд типа Солнца имеют примерно такие же планеты, как Земля, в зонах обитаемости. То есть у нас есть довольно радужные перспективы.

Теперь о самих зонах обитаемости. Иногда, совсем упрощая, говорят, что если планета находится слишком близко от своей звезды, то тогда температура на ее поверхности будет слишком большой, вся вода закипит, все океаны испарятся. И, наоборот, если планета будет очень далеко, то тогда температура будет очень низкой, вся вода замерзнет, планета будет покрыта льдом. На пальцах это правильно, но на самом деле, конечно, зоны обитаемости считают гораздо аккуратнее. Поскольку температура на Земле все-таки зависит от климата, большую роль играет атмосфера.

Расчет размера зоны обитаемости — ее внутренние границы, где жарко, и внешние границы, где холодно, — связан с климатическими расчетами.

Как вы понимаете, климат мы умеем рассчитывать не очень точно, мы погоду на три дня вперед не можем хорошо предсказать. Но тем не менее расчеты разных групп более или менее сходятся, то есть нет расхождений в два раза, например, по размерам зоны обитаемости. И ключевым моментом для расчета, где не слишком жарко и не слишком холодно, является расчет парникового эффекта.

Давайте вспомним, насколько он важен. На Земле температура на тридцать с лишним градусов выше, чем ей полагается быть. Связано это с парниковым эффектом атмосферы Земли. Если мы будем пододвигать Землю ближе к Солнцу, парниковый эффект станет важнее, и температура начнет повышаться, вода начнет испаряться, это запустит самоподдерживающийся процесс, парниковый эффект станет еще важнее, вся вода перейдет в атмосферу и потихонечку будет из нее теряться. Наоборот, если мы планету отодвигаем от Солнца, то парниковый эффект становится менее важным, и в какой-то момент действительно температура падает достаточно низко, начинается совсем глобальный вечный ледниковый период, и жидкой воды на поверхности снова нет.

Разумеется, зона обитаемости — это какая-то полоса, которая может занимать довольно большое пространство. То есть не нужно, чтобы планета находилась в какой-то определенной точке и получала от своей звезды ровно столько энергии, сколько получает Земля от Солнца. Кроме того, важно вспомнить, что звезды разные. Если звезда более массивная, то она всегда излучает больше, и, соответственно, зона обитаемости находится дальше и будет шире. Если звезда меньше, чем Солнце, то она излучает меньше, и зона обитаемости подходит гораздо ближе к звезде и становится немного у́ же. Но в принципе мы можем говорить о зонах обитаемости практически у любых звезд, с той поправкой, что самые массивные звезды живут недостаточно долго, и вряд ли мы можем рассчитывать, что какая-то жизнь появится около звезды, которая даже в три раза тяжелее Солнца, просто потому, что у жизни не будет нескольких миллиардов лет, для того чтобы пройти длительную эволюцию.

Важно, что эволюционирует не только жизнь, а эволюционируют звезды, эволюционируют планеты. Звезда, пережигая водород в гелий, то есть находясь на главной последовательности, с течением времени становится все ярче и ярче, и поэтому зона обитаемости движется. Обычно говорят, что Солнце через пять миллиардов лет превратится в красного гиганта, расширится и мы все умрем. Хочу вас обнадежить: мы умрем гораздо раньше по той простой причине, что Солнце будет становиться более мощным источником излучения, зона обитаемости будет двигаться, а Земля будет стоять, где стоит. И через два с небольшим миллиарда лет Земля постепенно выйдет из зоны обитаемости, начнется весь этот неприятный парниковый эффект, идущий вразнос, и жизнь, как мы ее знаем, если мы ее сами не угробим немного раньше, исчезнет через два с лишним миллиарда лет из-за того, что Земля перестанет находиться в зоне обитаемости.

Кроме того, что эволюционируют звезды, эволюционируют орбиты планет. Особенно активно это происходит в молодой планетной системе. И оказывается, что для появления жизни это изменение орбит чрезвычайно важно. Причина чрезвычайно проста. Итак, мы хотим, чтобы планета была в зоне обитаемости, для того чтобы на ее поверхности могла существовать жидкая вода. Но возникает хороший вопрос: а откуда возьмется эта самая жидкая вода? Вначале в процессе образования планет нужно, чтобы большое количество воды попало на планету. Так вот, если Земля образуется там, где она сейчас находится, то эта область находится ближе, чем так называемая зона льда. Действительно, это область, где достаточно тепло, в процессе образования Солнце как раз излучает довольно много энергии, и поэтому в этом месте действительно жарко, все летучие вещества оттуда улетучиваются. И поэтому, когда первый такой крупный зародыш Земли образовался, там, конечно, никакой воды не было. И нужно, чтобы в планетной системе происходило бурное перемешивание, чтобы издалека, из-за больших планет прилетели крупные тела, в которых есть много воды, упали на нашу планету и принесли эту самую воду. Какое-то время считалось, что воду так могли на Землю занести кометы, но, по всей видимости, это не так. Анализы показывают, что там немного не та вода, поэтому кометами не объяснить основное количество воды на Земле. И эта эволюция планетных орбит оказывается очень важной.

Что еще надо сказать про планетные орбиты? Земная орбита практически круглая — это хорошо. Поэтому у нас времена года меняются только из-за того, что ось Земли наклонена к плоскости эклиптики, и, как вы знаете, когда у нас лето, Земля на самом деле находится немного дальше от Солнца, чем зимой. Но большая часть планет все-таки имеют довольно эксцентричные орбиты, довольно вытянутые орбиты. Но это не значит, что полностью исключается существование жизни. Идут довольно активные споры, как долго планета должна находиться внутри зоны обитаемости — половину своего орбитального периода, больше, меньше, — для того чтобы мы отнесли ее к потенциальным кандидатам в планеты, где может быть какая-то жизнь.

Анализ показывает, что трех параметров — масса, как у Земли, радиус, как у Земли, и нахождение в зоне обитаемости — недостаточно для появления жизни, тем более жизни в развитой форме.

Так что, пока все кандидаты в двойники Земли, которые, повторюсь, определяются только по трем параметрам — масса, радиус и энергия, которую планета получает от своей звезды, — эти кандидаты недостаточно надежные.

Давайте кратко перечислим, что еще может быть важно. По всей видимости, важно внутреннее строение, важна тектоника. Если планета оказывается каменной, пускай даже точно такой же, как Земля, но внутри она совершенно мертвая: никаких бурных процессов не происходит, вулканов нет, континенты никуда не двигаются, — современные рассуждения говорят нам о том, что маловероятно, что на этой планете начнется биологическая эволюция.

Другой важный параметр — это магнитное поле планеты. От любой звезды дует звездный ветер, и нужно защищать планету от этого потока вещества. Самое простое, что может произойти, — может сдуть атмосферу, и такое бывает. У Земли довольно мощное магнитное поле, которое надежно ее защищает, а вот у Марса, например, нет. И, может быть, одна из причин потери Марсом атмосферы — это как раз отсутствие магнитного поля. Таким образом, для того чтобы планета считалась хорошим кандидатом в обитаемые, нам хотелось бы иметь данные по тектонике, по магнитным полям, но, к сожалению, это пока находится за пределами наших технических возможностей.

Что еще важно? Еще важно обсудить свойства звезды. Во-первых, важно, чтобы звезда была достаточно спокойной. Если на звезде часто происходят мощные вспышки, тем более сопровождающиеся выбросом коронального вещества, то это тоже может быть губительно для планеты. Самое простое — мощная ультрафиолетовая вспышка может уничтожить озоновый слой, а дальше своим стабильным ультрафиолетовым излучением звезда тихонечко дезинфицирует всю планету, и начавшие было развиваться и эволюционировать микробы вынуждены все начинать сначала.

Таким образом, если это происходит достаточно часто, планета является не очень хорошим кандидатом. Это плохая новость. Потому что сейчас нам проще обнаруживать маленькие каменные планеты около красных карликов, около маленьких звезд, которые по массе в несколько раз легче Солнца. Такие звезды как раз вспыхивают достаточно часто, и поэтому заметная доля маленьких каменных планет в зонах обитаемости, которые открыты и будут открываться в ближайшее время, по всей видимости, не являются очень хорошими кандидатами в обитаемые миры.

Наконец, люди пытаются расширять понятие зоны обитаемости. Например, можно поговорить не только о месте, но и о времени. Что это означает? Например, если вы пишете научно-фантастический роман, вряд ли разумно говорить о какой-то цивилизации, которая возникла, скажем, через 300 миллионов лет после Большого взрыва: слишком рано. Очень много чего должно произойти: должны вспыхнуть первые сверхновые, выбросить тяжелые элементы, эти тяжелые элементы должны перемешаться в межзвездном веществе, успеть войти в состав новых планетных систем, должны образоваться новые планеты, и только там может начаться развитие, которое в конечном счете приведет к появлению какой-то цивилизации. По всей видимости, мы живем в правильное время, Вселенной 13 с лишним миллиардов лет, но вряд ли есть цивилизация, которая старше нас на 5–6 миллиардов лет, это было бы не очень вероятно. Мы развиваемся достаточно быстро, и пара миллиардов лет уж точно есть, так что есть хороший повод написать научно-фантастический роман.

С другой стороны, можно расширить понятие зоны обитаемости на всю галактику. Условия в разных частях галактики различны. Например, если мы говорим о центральных частях нашей Галактики, то там происходят такие неприятные вещи: звезды расположены гораздо ближе друг к другу, поэтому чаще происходят близкие прохождения звезд, которые могут возмущать планетные орбиты. И опять-таки жизнь только-только хотела начать развиваться, но пролетела близкая звезда, и планета, кружившая на расстоянии 150 миллионов километров от своего Солнца по круговой орбите, стала крутиться на вытянутой орбите, то подходя на 50 миллионов, то удаляясь на 400 миллионов, и, конечно, жизни сразу становится развиваться гораздо сложнее. Кроме того, близкие массивные звезды могут вспыхивать как сверхновые — это снова не очень полезная ситуация, снова есть мощный поток ультрафиолетового излучения, как при звездных вспышках, это также может разрушать озоновый слой, а потом все то же самое — планета будет потихонечку дезинфицироваться.

Во внешних частях галактики появление жизни тоже не слишком вероятно.

Там меньше тяжелых элементов, меньше вероятность появления маленьких каменных планет с нужной тектоникой, поскольку если у вас нет очень тяжелых радиоактивных элементов, то, создав планету, вы не сможете как следует разогреть ее недра, а мы думаем, что это существенное условие для существования жизни.

Несмотря на то, что мы думаем, что несколько процентов звезд типа Солнца имеют маленькие каменные планеты, было бы чрезмерно оптимистично считать, что все они являются потенциально обитаемыми. С другой стороны, если мы все-таки вспомним, что речь идет о десятках миллиардов звезд типа Солнца в нашей Галактике, то все-таки несколько процентов или пусть даже доля процента от десятков миллиардов — это очень большое число. Поэтому у нас есть довольно хорошие перспективы в ближайшие десятилетия обнаружить маленькие каменные планеты в зонах обитаемости, на которых мы будем видеть следы существования жизни земного типа.