Исследование ближайших к Солнцу звезд показало, что их излучение создает серьезную угрозу для атмосфер экзопланет

Команда астрофизиков под руководством Сары Пикок из Центра космических полетов имени Годдарда (NASA) провела масштабное исследование излучения 12 ближайших к Солнцу звезд, в зонах обитания которых могут находиться потенциально пригодные для жизни планеты. Ученые обнаружили, что большинство изученных звезд испускают опасное высокоэнергетическое излучение в 10–100 раз интенсивнее, чем Солнце, что создает серьезные вызовы для сохранения атмосфер у гипотетических планет. Работа принята к публикации в ApJ и имеет значение для планирования миссий будущих телескопов, в том числе космической обсерватории Habitable Worlds Observatory (HWO).

Астрономы всего мира с нетерпением ждут появления нового поколения телескопов, которые смогут напрямую увидеть планеты, похожие на Землю, и даже определить состав их атмосфер. Но чтобы правильно интерпретировать эти будущие наблюдения, необходимо досконально знать, какое излучение исходит от самих звезд, вокруг которых вращаются эти планеты. Ведь именно звездный свет определяет климат, химию атмосферы и даже шансы на выживание жизни на далеких мирах. Исследователи сосредоточились на двенадцати звездах, которые уже сейчас входят в шорт-лист самых перспективных целей для будущих наблюдений. Это относительно близкие к нам звезды разных типов – от похожих на Солнце, до холодных красных карликов, и все они обладают так называемой обитаемой зоной (зона златовласки), где вода на планете может существовать в жидком виде.

Список изученных звезд включает следующие объекты: iota Horologii, chi-1 Orionis, GL 311 (также известная как pi-1 Ursae Majoris), GL 620-1A (HD 147513), kappa-1 Ceti, delta Pavonis, 55 Cancri A, GL 892 (HD 219134), GL 183, GJ 832, Lalande 21185 и Proxima Centauri. Среди них есть как очень яркие и хорошо изученные звезды, так и тусклые красные карлики, которые, тем не менее, представляют огромный интерес для астробиологов. Например, Проксима Центавра – это ближайшая к Солнцу звезда, вокруг которой вращается планета земного типа в зоне обитания. А 55 Рака А – это звезда желтый карлик, у которой уже открыто целых пять планет, что делает ее уникальной лабораторией для изучения планетных систем.

Для создания полной картины звездного излучения ученые объединили данные из нескольких источников. Они использовали архивные наблюдения с космических телескопов «Хаббл», «Чандра» и «XMM-Newton», охватывающие ультрафиолетовую и рентгеновскую части спектра. Эти данные критически важны, потому что именно в этих диапазонах скрывается основная энергия, которая влияет на атмосферы планет. Затем данные дополнили с помощью сложных компьютерных моделей под названием PHOENIX, которые позволили заполнить пробелы в тех диапазонах длин волн, которые невозможно наблюдать с Земли, например, в экстремальном ультрафиолете. Такой комплексный подход позволил впервые получить непрерывные спектры этих звезд – от самых жестких рентгеновских лучей до радиоволн.

Главный и несколько тревожный вывод исследования состоит в том, что большинство этих приоритетных звезд оказались гораздо активнее нашего Солнца. Например, у таких звезд, как iota Horologii, chi-1 Orionis и GL 311, уровень излучения в рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом диапазонах превышает солнечный в сотни раз. Планеты, которые вращаются в обитаемой зоне таких звезд, подвергаются бомбардировке высокоэнергетическим излучением, которое в десятки и даже сотни раз мощнее того, что получает Земля от Солнца. Это излучение может нагревать и ионизировать верхние слои атмосферы планеты, вызывая ее постепенное разрушение и улетучивание в космос – процесс, известный как атмосферная эрозия.

Особенно сильное излучение испускают молодые и быстро вращающиеся звезды, однако даже у некоторых старых звезд, например у GL 892, были зафиксированы неожиданно высокие уровни активности, что заставило ученых пересмотреть свои представления о связи возраста звезды и ее излучения.

Стоит отметить, что выборка звезд для этого исследования не является случайной. Эти объекты были выбраны в первую очередь потому, что их излучение достаточно сильно, чтобы его можно было зафиксировать существующими телескопами. Поэтому не исключено, что они представляют собой наиболее активную часть звездного населения, а многие более спокойные и «безопасные» для планет звезды пока просто остаются неизученными.

Из 164 самых приоритетных целей в каталоге HWO только у 51 есть хоть какие-то рентгеновские данные, а у 12 – достаточно полная информация по ультрафиолету. Это подчеркивает, насколько фрагментарны наши знания о радиационной обстановке вокруг потенциальных обитаемых миров. Кроме того, исследование наглядно демонстрирует, как сильно может меняться излучение одной и той же звезды с течением времени. Для звезды Lalande 21185 разница между двумя измерениями, сделанными с разницей в три года, оказалась очень существенной – более чем в десять раз. Это означает, что планеты в системе этой звезды могут в разное время получать принципиально разные дозы облучения.

Несмотря на высокие уровни облучения, ученые не спешат ставить крест на обитаемости планет в этих системах. Сравнение показывает, что в молодости наше Солнце тоже было гораздо активнее – примерно 3–4 миллиарда лет назад оно излучало в 100–1000 раз больше рентгеновских лучей, чем сегодня. И тем не менее Земля смогла сохранить свою атмосферу и воду.

Более того, расчеты показывают, что даже при столь интенсивном облучении многие планеты потеряют лишь небольшую часть своей атмосферы. Например, для планет в системах звезд delta Pavonis и 55 Cancri A потери кислорода за миллиард лет составят всего несколько десятков бар, что значительно меньше содержания кислорода в земных океанах. Значительная потеря возможна только у планет, вращающихся вокруг самых активных красных карликов, таких как Proxima Centauri, где атмосферная эрозия может быть действительно серьезной проблемой.

Особый интерес в этом исследовании вызывают звезды, излучение которых оказалось близким к солнечному. К ним относятся delta Pavonis, 55 Cancri A и GL 183. Эти звезды создают радиационную среду, похожую на ту, в которой сформировалась и развивалась жизнь на Земле, что делает их идеальными целями для поиска биосигнатур. Однако и здесь не все просто.

Например, у GJ 832, несмотря на умеренное рентгеновское излучение, оказалось очень высокое отношение ультрафиолетового излучения к видимому, что может приводить к совершенно иной фотохимии в атмосфере планеты, чем на Земле. Это значит, что даже при сравнимой общей энергии излучения химический состав атмосферы может сильно отличаться, и к каждой звезде нужен индивидуальный подход.

В итоге работа показала, что радиационная обстановка вокруг ближайших звезд-кандидатов оказалась суровее, чем предполагалось ранее. Однако главный вывод этой работы даже не в том, насколько опасна та или иная звезда, а в том, как мало мы знаем о них в целом. Двенадцать изученных звезд – это лишь верхушка айсберга. Чтобы сделать правильный выбор, на какую звезду направить будущие телескопы в поисках жизни, астрономам необходимы новые, систематические наблюдения в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах для всех звезд из приоритетного списка HWO.

Без этих данных мы рискуем либо пропустить настоящий «второй дом», либо потратить десятилетия на изучение мира, который изначально был обречен из-за агрессивной звезды-хозяина. Поэтому главный призыв исследователей – срочно расширять наблюдательные программы, чтобы получить полную картину радиационной среды вокруг потенциально обитаемых планет.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях