В последние годы число экзопланет, обнаруженных вокруг близлежащих звезд M-типа (красных карликов), значительно возросло. Во многих случаях эти подтвержденные планеты были «похожими на Землю», что означает, что они являются земными (то есть каменистыми) и сопоставимы по размерам с Землей. Такие находки были особенно захватывающими, поскольку красные карлики являются наиболее распространенными звездами во Вселенной — на них приходится 85% звезд только в Млечном Пути.
Однако, в последнее время были проведены многочисленные исследования, которые показывают, что эти планеты могут не иметь необходимых условий для поддержания жизни. Последнее было проведено в Гарвардском университете, где ученые демонстрируют, что планеты вокруг звезд M-типа могут не получать достаточного количества излучения от своих звезд для фотосинтеза.
Считается, что жизнь на Земле возникла между 3,7 и 4,1 млрд. лет назад (во время позднего хадейского или раннего архейского эона), в то время, когда атмосфера планеты была бы токсична для жизни сегодня. От 2,9 до 3 миллиардов лет назад начали появляться фотосинтезирующие бактерии, которые начали обогащать атмосферу кислородом.
В результате Земля пережила так называемое «великое окислительное событие» около 2,3 миллиарда лет назад. За это время фотосинтезирующие организмы постепенно преобразовали атмосферу Земли из атмосферы, состоящей преимущественно из углекислого газа и метана, в атмосферу, состоящую из азота и кислорода (~ 78% и 21% соответственно).
Интересно, что другие формы фотосинтеза, как полагают, появились даже раньше, чем фотосинтез хлорофилла. К ним относятся фотосинтез ретинала, который возник около 2,5-3,7 миллиарда лет назад и до сих пор существует в ограниченных нишевых средах сегодня. Как следует из названия, этот процесс основан на ретинале (тип фиолетового пигмента) для поглощения солнечной энергии в желто-зеленой части видимого спектра (от 400 до 500 нм).
Существует также аноксигенный фотосинтез (где углекислый газ и две молекулы воды обрабатываются с образованием формальдегида, воды и газообразного кислорода), который, как полагают, предшествует оксигенному фотосинтезу. Как и когда возникли различные типы фотосинтеза, является ключом к пониманию, когда началась жизнь на Земле.
Новая работа, озаглавленная «Фотосинтез на планетах вокруг звезд с низкой массой» и подобные ей исследования, в которых изучается роль, которую играет фотосинтез, важны не только потому, что они помогают нам понять, как возникла жизнь на Земле. Кроме того, они могли бы также помочь нам понять, может ли жизнь возникнуть на внесолнечных планетах и при каких условиях это может произойти.
«В нашей работе мы исследовали, может ли фотосинтез происходить на планетах в обитаемой зоне вокруг звезд с низкой массой. Эта зона определяется как диапазон расстояний от звезды, где температура поверхности планеты учитывает существование жидкой воды и химический состав жизни, какой мы ее знаем. Для планет в этой зоне мы вычислили поток ультрафиолета (УФ), освещающий их поверхность, как функцию массы их звезды-хозяина. Звезды с низкой массой прохладнее и производят меньше ультрафиолетовых фотонов на количество излучения».
В соответствии с недавними находками с участием звезд красных карликов их исследование было сосредоточено на «земных аналогах», планетах, которые имеют те же основные физические параметры, что и Земля, — то есть радиус, массу, состав, эффективную температуру, альбедо и т. д. Поскольку теоретические пределы фотосинтеза вокруг других звезд не очень хорошо определены, ученые также работают с теми же пределами, что есть и на Земле — между 400 и 750 нм.
Исходя из этого, исследователи рассчитали, что маломассивные звезды M-типа не смогут превысить минимальный поток УФ-излучения, необходимый для обеспечения биосферы, аналогичной биосфере Земли.
«Это подразумевает, что обитаемые планеты, обнаруженные за последние несколько лет вокруг близлежащих карликовых звезд, Проксима Центавра (ближайшая к Солнцу звезда, 4 световых года, 0,12 массы Солнца, с одной возможно обитаемой планетой, Проксима b) и TRAPPIST-1 (40 световых лет, 0,09 солнечных масс с тремя потенциально обитаемыми планетами TRAPPIST-1e, f, g), вероятно, не имеют похожей на Землю биосферы. В более общем плане, в спектроскопических исследованиях состава атмосфер планет, вряд ли найдутся биомаркеры, такие как кислород или озон, на обнаруживаемых уровнях. Если кислород будет найден, его происхождение, вероятно, будет небиологическим» — говорят исследователи.
Естественно, существуют ограничения для такого рода анализа. Как отмечалось ранее, ученые указывают, что теоретические пределы фотосинтеза вокруг других звезд не известны. Пока мы не узнаем больше о планетных условиях и радиационной обстановке вокруг звезд типа М, ученые будут вынуждены использовать метрики, основанные на нашей собственной планете.
Во-вторых, существует также тот факт, что звезды M-типа (красные карлики) являются переменными и нестабильными по сравнению с нашим Солнцем (желтый карлик) и испытывают периодические вспышки. Они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на биосферу планеты. Короче говоря, звездные вспышки могут обеспечить дополнительное ультрафиолетовое излучение, которое поможет запустить химию пребиотиков, но также может нанести ущерб атмосфере планеты.
Тем не менее, за исключением более интенсивных исследований планет, находящихся вне Солнца, которые вращаются вокруг звезд красных карликов, ученые вынуждены полагаться на теоретические оценки вероятности жизни на этих планетах. Что касается результатов, представленных в новом исследовании, они являются еще одним свидетельством того, что звездные системы красных карликов, возможно, не являются наиболее вероятным местом для поиска обитаемых миров.
На данный момент поиск обитаемых планет и жизни по-прежнему основывается на теоретических моделях, которые говорят нам о том, что и где нужно искать. В то же время эти модели по-прежнему основаны на «жизни, какой мы ее знаем», т. е. на примере аналогов Земли и наземных видов. К счастью, астрономы ожидают узнать много нового в ближайшие годы благодаря разработке приборов следующего поколения.
Кроме того, следует помнить, что нуклеосинтез в недрах красных карликов проходит очень медленно. Это объясняется сильной зависимостью скорости протекания термоядерных реакций от температуры, которая у звёзд малой массы весьма низкая. Поэтому жизненный цикл красных карликов в сотни раз длиннее, чем у звёзд, таких как Солнце. Если на какой-нибудь планете возле красного карлика возникнет простейшая жизнь, то вероятность того, что она разовьётся в высшие формы, несравненно выше, чем у таких звёзд, как Солнце.