Когда появились первые обитаемые миры во Вселенной?

Ученые далеко продвинулись за последние несколько десятилетий в плане открытия потенциально обитаемых миров. Совсем недавно, в 1990 году, не было известных и подтвержденных планет, кроме тех, что находятся в Солнечной системе; на сегодняшний день существует более 5500 подтвержденных экзопланет, от супер-Юпитеров до миров размером с суб-Землю.

Некоторые из них находятся возле стабильных звезд, подобных Солнцу. Считается, что многие из них имеют тонкую атмосферу; многие, вероятно, обладают тяжелыми элементами, необходимыми для жизненных процессов; некоторые из них являются частью многопланетных систем, на их поверхности могут быть температуры и давления, подобные земным.

Хотя Земля может быть образцом того, что мы считаем идеальным, пригодным для жизни миром, мы все же можем представить себе широкий спектр обстоятельств, сильно отличающихся от наших, которые также могут поддерживать жизнь в долгосрочной перспективе.

Однако прежде чем сформировалась Земля, потребовалось более 9 миллиардов лет космической эволюции. Совершенно неразумно предполагать, что Вселенной потребовалось все это время, чтобы создать необходимые условия для обитания.

Если мы посмотрим на минимальный рецепт обитаемости с наименьшим количеством предположений, то увидим, что эти условия могли возникнуть гораздо раньше. Сырые химические ингредиенты жизни — часть этой головоломки, но не вся история. Но чтобы сформировать обитаемую планету, нам придется смотреть глубже. Вот что нам нужно знать о самых ранних обитаемых мирах.

Если вы хотите иметь обитаемую планету, первое, что вам нужно, — это правильный тип звезды, вокруг которой она могла бы вращаться. Могут быть самые разные сценарии, при которых жизнь на планете сможет существовать даже возле активной, жесткой звезды.

Звезды с наименьшей массой, красные карлики, такие как Проксима Центавра, испускают вспышки и высокоэнергетическое излучение в виде вспышек. Любая потенциально обитаемая планета будет подвергаться риску потерять свою атмосферу до тех пор, пока бурная звездная активность не успокоится: процесс, который для звезд с наименьшей массой занимает больше времени, чем нынешний возраст Вселенной.

Хотя можно представить себе сценарий, в котором:

• магнитное поле,
• плотная атмосфера,
• и жизнь, которая была достаточно умна, чтобы искать убежища во время вспышек, радиационных событий,

все вместе могут сделать такой мир пригодным для жизни на постоянной основе, очень трудно представить себе процветающую экосистему в таком мире на ранних стадиях.

Другими словами, если мы собираемся искать первые, возможно, обитаемые планеты, нам следует искать звезды, которые достигают той «точки стабильности», где они не будут лишать планеты их атмосферы и облучать поверхности рентгеновскими лучами и вспышками.

Оказывается, чем массивнее звезда, тем быстрее она переходит в состояние, в котором:

• не вспыхивает так часто,
• не излучает рентгеновское излучение самой высокой энергии в больших количествах,
• и не выделяет ветров, частиц и других эффектов, разрушающих атмосферу,

в огромных вспышках, которые помешали бы обитаемости на планете. Кроме того, чем массивнее звезда, тем большее количество общей энергии она выделяет. Объединив эти факты вместе, можно предположить, что, если энергия — это то, что нужно для поддержания жизни, возможно, большие объемы пространства вокруг этих звезд, где температура будет «подходящей» для жидкой воды на поверхности планеты, подобной Земле, могли бы быть лучшим местом для поиска.

Но если звезда слишком недолговечна, обитаемость невозможна. Кроме того, если звездная система слишком нетронута, то есть содержит слишком мало тяжелых элементов, обитаемость также будет невозможна, поскольку сырьевые ингредиенты, необходимые для жизненных процессов, просто не будут присутствовать. Если мы хотим создать планету, на которой может быть жизнь, нам нужно:

• не слишком массивная звезда, которая проживет достаточно долго, чтобы на планете появилась жизнь,
• планетная система, которая достаточно обогащена, чтобы образовался каменистый мир, с необходимыми химическими ингредиентами для жизни,
• но также и достаточно массивная звезда, чтобы звездная активность не привела к стерилизации любой жизни, которая попытается сформироваться.

Первое поколение звезд, известное как звезды поколения III, не соответствует этим ограничениям. В среднем эти звезды очень массивны: в 10+ раз больше массы Солнца, а это означает, что они живут не ~ 10 миллиардов лет, а только ~ 10 миллионов лет каждая: временной интервал, который слишком короток для удовлетворения наших необходимых условий.

Кроме того, это первое поколение звезд нетронутое, а это означает, что внутри практически нет тяжелых элементов. (Если мы посмотрим на количество таких элементов, как кислород и углерод, образовавшихся во время Большого взрыва, то оно во много триллионов раз ниже наблюдаемого солнечного содержания кислорода и углерода, третьего и четвертого наиболее распространенных элементов во Вселенной сегодня.)

Фактически, теперь мы знаем, каков приблизительный порог с точки зрения химического обогащения для существования планет вокруг звезд: это примерно 10-25% доли тяжелых элементов, обнаруженных на Солнце. Из более чем 5500 открытых экзопланет только:

• 1,8% из них находятся возле звезд, содержащих четверть или менее тяжелых элементов Солнца.
• 0,2% из них находятся возле звезд с десятой или менее десятой части тяжелых элементов Солнца.
• и 0 из них находятся возле звезд, содержащих 5% или менее тяжелых элементов Солнца.

Для планет вообще необходимо значительное химическое обогащение, а это требует не только времени, но и нескольких поколений звезд.

В системе, которая достаточно обогащена химическими элементами и чьи звезды достаточно долгоживущие, мы также должны признать, что скорость образования кратеров/ударов или период «сильной бомбардировки» будет неблагоприятно влиять на устойчивость жизни во время ее возникновения. Согласно лучшим наблюдениям, которые мы имеем сегодня, требуется около полумиллиарда лет, плюс-минус, чтобы такие условия возникли.

Другими словами, нам не только нужно, чтобы предыдущие поколения звезд жили и умирали, чтобы создать достаточно обогащенный материал для формирования каменистых миров, нам также нужно время, чтобы эти миры созрели для жизни.

А зачем нам нужны скалистые миры? Насколько мы понимаем жизнь, мир, в котором она обитает, нуждается в:

• градиенте энергии, когда он имеет неравномерное поступление энергии,
• способности поддерживать достаточно плотную атмосферу,
• жидкой воде в той или иной форме на поверхности,
• и правильных исходных ингредиентах, чтобы жизнь при правильном стечении обстоятельств могла выжить и процветать.

У каменистой планеты достаточно большого размера, формирующейся с нужной плотностью атмосферы и вращающейся вокруг своей звезды на правильном расстоянии, есть шанс. (У скалистого спутника газового гиганта тоже будет шанс.) Учитывая все планеты, которые могли бы сформироваться вокруг новой звезды, и астрономическое количество звезд, образовавшихся в каждой галактике, первые из этих условий легко выполнить.

Вращение вокруг звезды обеспечит энергетический градиент, как и вращение вокруг планеты, газового гиганта, обладающего большой луной, или просто мира с достаточной геологической активностью. Будь то солнечная энергия или гидротермальная/геотермальная активность, неравномерное поступление энергии легко получить. При достаточном количестве таких элементов, как углерод, водород, азот, кислород, фосфор и некоторых других, плотная атмосфера позволит жидкой воде оставаться на поверхности.

Планеты с такими условиями должны появиться на свет всего через несколько сотен миллионов лет, но этим мирам также потребуется достаточно времени, чтобы их изначально агрессивная среда успокоилась.

Эти необходимые элементы также должны быть доступны, поэтому для этого обычно требуется водная среда, где такие элементы, как фосфор и сера, могут вступать в реакции с атомами углерода, кислорода и азота, чтобы могли образовываться нужные химические вещества. Лучше, если эти среды будут автономными, например, в водоеме, в хранилище пресной воды на суше или в какой-либо другой мелкой среде, поскольку столкновения между атомами и молекулами приводят к интересным закономерностям и структурам связывания. Без этих условий трудно понять, как могут происходить правильные биохимические реакции, необходимые для жизненных процессов.

Также стоит поговорить о том, где эти условия возникнут в первую очередь. В местах, расположенных на окраинах больших галактик, может потребоваться много миллиардов лет, чтобы достаточное количество поколений звезд жило и умерло, чтобы достичь необходимого изобилия элементов. Но в сердцах этих массивных галактик, где звездообразование происходит часто и непрерывно из переработанных остатков предыдущих поколений сверхновых, планетарных туманностей и слияний нейтронных звезд, это изобилие может быстро расти.

Даже в нашей галактике шаровое скопление Мессье 69 демонстрирует доказательства того, что к тому времени, когда Вселенной было всего 700 миллионов лет, звезды содержали до 22% тяжелых элементов нашего Солнца: приближаясь к условиям, необходимым для каменистых планет и жизненных процессов на них.

Однако центры активных галактик — сравнительно трудное место для того, чтобы считать планету пригодной для жизни, поскольку сопутствующие космические вспышки представляют собой опасность, с которой необходимо считаться. Везде, где постоянно формируются звезды, происходит впечатляющее множество космических фейерверков. Гамма-всплески, сверхновые, образование черных дыр, квазары и коллапс молекулярных облаков создают среду, которая в лучшем случае опасна для возникновения и поддержания жизни.

Чтобы создать среду, в которой мы можем с уверенностью утверждать, что жизнь возникает и поддерживает себя, нам необходимо, чтобы процесс звездообразования внезапно прекратился. Нам нужно что-то, что могло бы остановить звездообразование, что, в свою очередь, положит конец деятельности, наиболее угрожающей обитаемости мира. Вероятно, это будет обратная связь со звездами, которые очистят центральную среду от газа и пыли, и вскоре после этого центральная черная дыра вместо того, чтобы находиться в активном состоянии, затихнет. Именно по этим причинам самые ранние и наиболее устойчиво обитаемые планеты могут находиться не в такой галактике, как наша, а в красно-мертвой галактике, которая перестала образовывать звезды миллиарды лет назад.

Когда мы смотрим на галактики сегодня, около 99,9% из них все еще содержат в себе газ и пыль, что приведет к появлению новых поколений звезд и постоянному, продолжающемуся звездообразованию.

Но примерно 1 из 1000 галактик перестали образовывать новые звезды около 10 миллиардов лет назад или больше. Когда их внешнее топливо иссякло, что могло произойти после катастрофического крупного галактического слияния, звездообразование внезапно прекратилось. Без образования новых звезд более массивные и голубые звезды просто заканчивают свою жизнь, когда у них заканчивается топливо, оставляя в живых только более холодные и красные звезды. В результате эти галактики сегодня известны как «красные и мертвые» галактики, потому что все их звезды стабильные, старые и на них не влияет процесс, которое приносит новое звездообразование.

Рецепт создания обитаемой планеты может заключаться в том, чтобы:

• быстро образовывать звезды,
• вновь и вновь,
• в очень плотной области большой галактики,
• за которым последовало крупное галактическое слияние,
• что привело к очищению от газа и пыли,
• за которым следует внезапное прекращение звездообразования, которое сохраняется в течение неопределенного времени.

Это могло бы привести нас к звездам с планетами, с обилием тяжелых элементов, подобных солнечным, где планеты (или луны, или другие миры), вращающиеся вокруг этих звезд, пришли в состояние без частых гигантских столкновений, всего через миллиард лет после Большого взрыва.

Как только эти условия будут созданы, вполне вероятно, что сложные молекулы сформируются, столкнутся друг с другом и примут самые разнообразные конфигурации. Когда первыми сложными молекулами одновременно выполняются два условия:

• они могут усваивать некоторый источник энергии или питательных веществ из окружающей среды,
• и они могут копировать и/или воспроизводить себя,

тогда мы можем заявить, что, хотя это примитивная форма жизни, которую многие биологи не признают «живой», произошло первое появление жизни из не-жизни. Миры, в которых эта жизнь сможет поддерживать себя, выживать, воспроизводиться и сохраняться в течение длительных периодов времени, а не вымирать почти сразу, станут первыми обитаемыми мирами во Вселенной.

Хотя Земле, возможно, потребовались миллиарды лет, чтобы сформироваться, и несколько сотен миллионов лет, чтобы возникла жизнь и начала процветать в нашем мире, мы можем быть уверены, что миры с похожими благоприятными для жизни условиями существовали уже через миллиард лет с начала истории Вселенной.

Это чрезвычайно оптимистичная оценка, но, учитывая, что сегодня во Вселенной существуют триллионы галактик, некоторые из них будут космическими странностями и статистическими отклонениями, что делает появление жизни в них более вероятным событием, чем в обычных местах.

Остаются только вопросы:

• изобилие (как часто возникают потенциально обитаемые миры со всеми необходимыми ингредиентами и условиями),
• вероятность (как часто потенциально обитаемые миры становятся обитаемыми),
• и временные рамки (сколько времени нужно, чтобы такие миры возникли, и сколько времени нужно, чтобы в них возникла жизнь).

По-прежнему остается правдоподобным вариант, что жизнь могла возникнуть во Вселенной даже до того, как будет достигнут порог в миллиард лет, но наша цель — устойчивая, непрерывная обитаемость, а не просто возникновение жизни только для того, чтобы почти немедленно вымереть.

К тому времени, когда возраст Вселенной составил немногим менее двух миллиардов лет (всего 13-14% от ее нынешнего возраста), в ней должно существовать множество галактик, в которых будут звезды, подобные Солнцу, планеты, подобные Земле, и все необходимые ингредиенты и условия для возникновения и сохранение жизни.

Ключевой шаг, который осталось сделать, — это тот, о котором мы до сих пор не знаем: количественная оценка распространенности жизни за пределами Земли.

Как только возникнут первые живые миры, мы можем быть уверены, что вскоре последуют и многие другие, вероятно, по всей Вселенной.