Космическая рулетка — что делает галактику пригодной для жизни?

Группа астрофизиков под руководством Л. А. Барнса (Университет Западного Сиднея и Сиднейский институт астрономии) использовала крупнейшее космологическое моделирование EAGLE, чтобы выяснить, где и когда во Вселенной условия для жизни были наиболее благоприятными. Ученые обнаружили, что современный Млечный Путь представляет собой типичную «обитаемую» галактику с эффективным созданием условий для жизни и низким риском космических катастроф, тогда как молодые галактики с активным звездообразованием в ранней Вселенной были крайне опасны для жизни. Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

Жизнь на Земле могла бы не возникнуть, если бы не удачное стечение обстоятельств космического масштаба. Нам повезло с Солнцем, спокойной звездой, которая светит уже 4,5 миллиарда лет. Повезло с расположением в Галактике, вдали от ее перенаселенного и бурного центра. Повезло с химическим составом, достаточным количеством металлов для формирования каменистых планет, но не настолько большим, чтобы рядом постоянно взрывались сверхновые.

Но насколько типично это везение? И существуют ли во Вселенной места, где жизнь могла бы возникать чаще и сохраняться дольше? Именно эти вопросы задала команда исследователей, обратившись к одному из самых мощных инструментов современной астрофизики — компьютерному моделированию эволюции галактик.

Как моделировали обитаемость

В основе работы лежит проект EAGLE — виртуальная Вселенная размером в 100 мегапарсек (около 326 миллионов световых лет), в которой с высокой точностью воспроизведены процессы формирования галактик, звезд, черных дыр и распределения химических элементов.

Ученые не пытались ответить на вопрос, как часто возникает жизнь. Вместо этого они ввели понятие «обитаемое время» — суммарную продолжительность существования пригодных для жизни планет в пересчете на единицу массы барионов или звезд. Чем больше этого времени создает галактика, тем эффективнее она производит и сохраняет условия для жизни.

Модель учитывала три ключевых условия возникновения обитаемых планет: наличие звезд главной последовательности, достаточное содержание металлов (элементов тяжелее гелия) и вероятность формирования каменистой планеты в зоне обитаемости.

Отдельно рассматривались пять факторов, способных уничтожить жизнь: взрывы массивных звезд (сверхновые с коллапсом ядра), термоядерные сверхновые типа Ia, гамма-всплески, тесные сближения звезд, способные нарушить орбиты планет, и мощное ультрафиолетовое излучение квазаров. При этом ученые различали два уровня катастроф: «вымирание», когда жизнь на планете погибает, но планета остается пригодной для повторного возникновения жизни, и «опустошение», когда планета лишается атмосферы или океанов и становится непригодной для жизни навсегда.

Что показали результаты

Расчеты показали, что обитаемое время во Вселенной быстро росло в первые миллиарды лет — по мере накопления металлов и формирования планет. Однако примерно последние несколько миллиардов лет рост замедлился и даже начал снижаться: космические катастрофы стали уничтожать жизнь быстрее, чем Вселенная успевает создавать новые обитаемые миры.

Сегодня в типичной галактике на каждую солнечную массу обычного вещества (газа, пыли, звезд и планет) приходится примерно 20 миллионов лет суммарного обитаемого времени. Если же считать только по звездам, то на каждую солнечную массу звезд приходится около 300 миллионов лет. Это не срок жизни одной планеты, а общая продолжительность существования всех пригодных для жизни миров в галактике, сложенная вместе. Чем больше это число, тем эффективнее галактика создает и сохраняет условия для жизни.

Самыми эффективными «фабриками жизни» оказались галактики, полная масса которых составляет от 100 миллиардов до 1 триллиона масс Солнца. Млечный Путь с его полной массой около триллиона солнечных масс находится как раз в этом диапазоне. Галактики значительно массивнее или легче создают условия для жизни хуже: в первых слишком часты катастрофы, во вторых слишком мало металлов для формирования планет. Если же измерять только звездную массу, то оптимальны галактики с массой звезд от 10 до 100 миллиардов солнечных масс, и Млечный Путь снова попадает в эту категорию. Оба подхода указывают на одно и то же: наша Галактика относится к числу наиболее благоприятных мест для возникновения и сохранения жизни.

Где опаснее всего

Самые опасные места во Вселенной это молодые галактики с бурным звездообразованием, которые существовали в первые 1-2 миллиарда лет после Большого взрыва. В них сверхновые с коллапсом ядра взрывались настолько часто, что риск вымирания достигал почти одного события на миллиард лет. Сегодня самыми опасными остаются внутренние области галактик, где плотность звезд максимальна.

Гамма-всплески и сверхновые типа Ia оказались значительно менее опасными, чем считалось ранее, а вот тесные сближения звезд вышли на первое место по опасности за последние 5 миллиардов лет. В современном Млечном Пути лишь одна звезда из тысячи может испытать вымирание из-за космического взрыва или сближения с другой звездой.

Отдельно ученые отметили неожиданно высокую роль квазаров: в галактиках массой от 1 до 10 триллионов солнечных масс от 5 до 30 процентов планет могли лишиться атмосферы под воздействием излучения сверхмассивных черных дыр. Возможно, однако, что модель переоценивает активность черных дыр из-за недостаточно частых снимков состояния галактик в симуляции.

Где лучше всего находиться

Интересно, что обитаемое время не показывает сильной зависимости от расстояния до центра галактики. Наиболее благоприятная зона простирается от 1 до 10 килопарсек (примерно от 3,3 до 33 тысяч световых лет) от центра — это широкий диапазон, в который попадает и Солнце с его 8,2 килопарсека (около 27 тысяч световых лет).

На больших расстояниях не хватает металлов для формирования планет, на меньших слишком высока частота катастроф. Но в целом разница не настолько драматична, как можно было бы ожидать. Ученые также отметили, что пик эффективности создания обитаемого времени пришелся на период около 1 миллиарда лет назад, а сегодня этот показатель постепенно снижается.

Авторы честно признают, что их модель далека от совершенства. Многие параметры, такие как радиусы вымирания и опустошения, взяты из упрощенных оценок. Симуляция не разрешает отдельные звездные скопления и молекулярные облака, где могут скрываться дополнительные опасности или, наоборот, убежища для жизни.

Кроме того, размер виртуальной Вселенной не позволяет воспроизвести самые крупные галактики, которые могли существовать в реальности. Тем не менее работа показывает, что современные космологические модели способны не только описывать распределение галактик, но и оценивать пригодность разных уголков Вселенной для жизни, и наш Млечный Путь в этом смысле оказывается на удивление удачным местом.

В итоге исследование показало, что наиболее благоприятные условия для жизни возникают в галактиках с полной массой от 100 миллиардов до 1 триллиона солнечных масс, к которым относится и Млечный Путь. В ранней Вселенной молодые галактики с активным звездообразованием были крайне опасны из-за частых взрывов сверхновых, а сегодня главную угрозу представляют тесные сближения звезд и излучение квазаров в центральных областях галактик. Обитаемое время во Вселенной достигло пика около миллиарда лет назад и с тех пор постепенно снижается, поскольку космические катастрофы уничтожают жизнь быстрее, чем Вселенная успевает создавать новые пригодные для жизни планеты.