Звезды, богатые металлами, менее подходят для эволюции жизни на их планетах

С ростом числа подтвержденных экзопланет в Млечном Пути ученым придется быть более разборчивыми в выборе целей для поиска признаков жизни. Группа астрономов во главе с Анной Шапиро из Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка в Германии сузила круг возможных вариантов.

Согласно новому анализу, земноподобные экзопланеты, вращающиеся вокруг солнцеподобных звезд с относительно низким содержанием металлов, с большей вероятностью будут защищены от вредного ультрафиолетового излучения, которое может препятствовать жизни, подвергая ее угрозе геномного повреждения.

Это может показаться нелогичным, поскольку звезды с более низким содержанием металлов излучают больше ультрафиолетового света. Но работа команды показывает, что планета с богатой кислородом атмосферой имеет более толстый озоновый слой, что дает миру, вращающемуся вокруг звезды с низким содержанием металлов, большую защиту, чем миру с звездой, богатой металлами.

«Наши результаты, — пишут ученые в своей статье , — подразумевают, что планеты, вращающиеся вокруг звезд с низкой металличностью, являются лучшими целями для поиска сложной жизни».

Не все звезды созданы равными. Они могут быть маленькими, холодными и тусклыми или большими, горячими и пылающими. И хотя у них есть некоторые общие элементы, их химический состав может сильно различаться.

Так происходит потому, что в самом начале истории Вселенной не было тяжелых элементов. Водород и гелий были почти всем, что там было; из этих элементов родились первые звезды, их сердца были гигантскими машинами, которые сталкивали атомы вместе, чтобы создавать более крупные и тяжелые атомы.

Когда эти звезды погибли, бурный процесс создал еще более тяжелые элементы и извергнул эти элементы в космос, чтобы они были поглощены новыми звездами, рожденными из облаков межзвездной пыли и газа.

Эти элементы изменяют излучение звезды. Звезды с большей долей элементов, более тяжелых, чем водород и гелий, или с более высокой металличностью излучают меньше ультрафиолетового излучения, чем звезды, состоящие из более легкого вещества. И мы знаем, живя здесь, на Земле, что УФ-излучение может нанести вред наземным организмам, вызывая различные типы повреждений ДНК.

Роль УФ-излучения в потенциальной обитаемости

Роль УФ-излучения в потенциальной обитаемости инопланетных миров не изучалась, поэтому ученые взяли Землю в качестве модели.

Инопланетная цивилизация, смотрящая на Солнечную систему с большого расстояния, могла бы счесть Землю негостеприимной для жизни. Исследователи говорят, что на нашем нынешнем расстоянии от Солнца уровни излучения в диапазонах длин волн УФ-С и УФ-В «значительно превышают максимально допустимый уровень для земной жизни».

Но наша атмосфера блокирует большую его часть: кислород, или О₂ , в верхних слоях атмосферы поглощает большую часть УФ-С, а слой озона, или О₃ , в стратосфере поглощает УФ-В.

УФ-излучение участвует в создании и разрушении озона. Длины волн ниже 240 нанометров разрушают молекулы O₂ ; свободно плавающие атомы О могут затем сталкиваться с молекулами О₂ и связываться с ними, образуя О₃ . Однако более длинные волны разрушают O₃ посредством фотодиссоциации. Полученные атомы O могут затем рекомбинировать в O₂ .

На УФ-излучение звезды влияют несколько факторов, в том числе ее металличность и температура. Ученые смоделировали похожие на Землю миры, вращающиеся вокруг звезд, подобных Солнцу, настроив параметры, влияющие на УФ-излучение, чтобы увидеть, какое влияние это окажет на вращающуюся экзопланету.

Они обнаружили, что металличность была более важной, чем температура, влияя на обитаемость экзопланеты, но совершенно противоположным образом тому, что можно было предположить. Звезды с более низкой металличностью и большим количеством УФ-излучения с большей вероятностью могут иметь обитаемые миры.

Это потому, что то, как УФ-излучение взаимодействует с кислородом в атмосфере, создает лучший экран, в результате чего меньше этого излучения достигает поверхности экзопланеты.

«Парадоксально, но в то время как звезды с более высокой металличностью, которые появились позже в истории Вселенной, излучают меньше УФ-излучения, в насыщенных кислородом планетарных атмосферах связанный с ними звездный спектр излучения допускает образование меньшего количества O₃ , что увеличивает проникновение УФ-излучения, делая условия на планетах вращающиеся вокруг этих звезд менее благоприятны для биосферы на суше», — пишут исследователи.

«Таким образом, мы обнаружили, что поверхность планет, вращающихся вокруг богатых металлами звезд, подвергается более интенсивному УФ-излучению, чем поверхность планет, вращающихся вокруг бедных металлами звезд. Поэтому планеты в обитаемых зонах звезд с низкой металличностью являются лучшими целями для поиска сложной жизни».

Поиск жизни

Пока еще недостаточно причин исключить из поиска звезды с более высокой металличностью. Но анализ и характеристика атмосфер экзопланет с помощью таких инструментов, как космический телескоп Джеймс Уэбб, поможет ученым понять, находятся ли они на правильном пути, приблизив нас на один шаг к обнаружению признаков жизни в чужом мире.

Это открытие может быть полезно и для будущих космических миссий, таких как миссия ESA Plato, которая будет изучать огромное количество звезд в поисках признаков обитаемых экзопланет. С 26 телескопами на борту одноименный зонд будет запущен в космос в 2026 году и сосредоточит свое внимание в первую очередь на планетах земного типа, вращающихся вокруг звезд, подобных Солнцу, на безопасных для жизни расстояниях.

Центр обработки данных миссии в настоящее время создается в Институте исследований Солнечной системы им. Макса Планка.

«Наше текущее исследование дает нам ценные подсказки относительно того, на какие звезды Платону следует обратить особое внимание», — говорит Лоран Жизон, управляющий директор Института и соавтор текущего исследования.

Парадоксальный вывод

Что удивительно, исследование приводит к почти парадоксальному выводу: по мере старения Вселенной она, вероятно, становится все более враждебной к жизни.

Металлы и другие тяжелые элементы образуются внутри звезд в конце их жизни в несколько миллиардов лет и — в зависимости от массы звезды — выбрасываются в космос в виде звездного ветра или взрыва сверхновой: это строительный материал для следующего поколения звезд.

«Каждая вновь формирующаяся звезда, таким образом, имеет больше доступного строительного материала, богатого металлом, чем ее предшественники. Звезды во Вселенной становятся все более богатыми металлами с каждым поколением», — говорит Анна Шапиро.

Согласно новому исследованию, вероятность того, что звездные системы будут способствовать появлению жизни, также уменьшается по мере старения Вселенной.

Однако поиски жизни не безнадежны. Ведь многие звезды-хозяева экзопланет имеют такой же возраст, как и Солнце.

Исследование было опубликовано в Nature Communications.