Більша частина відомих сьогодні екзопланет розташована у системах червоних карликів. Проте чимало фахівців кажуть, що навіть якщо йдеться про світи, схожі за розміром і ступенем освітленості на Землю, все одно життя на них неможливе. Інші науковці з ними незгодні, й це породжує суперечки, які тривають вже не один рік.
Планети в системах червоних карликів
Одна з найбільш спірних тем у сучасній астрономічній науці — можливість існування життя в системах червоних карликів. Новини про те, що науковці довели, що воно там дуже ймовірне чи, навпаки, точно неможливе, з’являються достатньо регулярно, що насправді означає, що жодного консенсусу в цьому питанні немає і близько.
Першоджерелом тут є той факт, що 75 % зір нашої Галактики — саме червоні карлики. Як наслідок, більша частина відкриттів екзопланет пов’язана саме з ними. А те, що ці світила тьмяні, додатково підвищує шанс знайти світ, схожий на Землю, на орбіті, яка забезпечує подібні температурні умови на поверхні, та ще й часто достатньо близько від нас.
І ось ця ніби як сенсаційна новина одразу ж наштовхується на думку, що все це не має значення, бо це планета на орбіті червоного карлика тому… І ось тут треба вдатися до значно детальнішого розбору всієї аргументації, якою оперують сторони у суперечках.
Перше, що треба усвідомити: червоні карлики — зорі набагато менші й холодніші, а значить — тьмяніші за Сонце. Люди, які не дуже сильно розбираються в астрономії, можуть із цього зробити висновок, що вся проблема в тому, що їхні планети будуть набагато холоднішими за Землю.
Це було б правдою, якби світ, аналогічний за масою та хімічним складом, розміщувався на тій самій відстані від зорі, що і Земля. Проте ніщо не заважає планеті бути настільки близько до свого світила, що навіть дуже слабкі промені розігрівають її до температур, за яких можливе життя.
Насправді до червоних карликів належать дуже різні зорі: від Лакайль 9352 (спектральний клас M0.5V), що має 48 % маси Сонця і 3,7 % його світимості, до DEN 1048-3956 (спектральний клас M8.5), що має лише 7 % маси Сонця і 1,6 мільйонних частки його світимості. Тобто насправді під цією назвою об’єднали об’єкти, світимість яких може відрізнятися у тисячі разів.
І цей факт означає, що ширина орбіт планет також може відрізнятися в десятки й сотні разів. Але якщо астрономи кажуть, що світ перебуває в зоні життя своєї зорі, то це означає, що він отримує від своєї зорі достатньо енергії для того, аби на поверхні могла існувати рідка вода, незалежно від того, як далеко від зорі проходить орбіта і скільки земних діб триває рік.
Припливне захоплення, атмосфера і гідросфера
І ось тут вступає у гру перший серйозний аргумент противників існування життя на планетах червоних карликів — припливні сили. Ті самі, що викликають підняття води в океанах і те, що Місяць завжди повернутий до нас тим самим боком. І вони пропорційні не силі тяжіння, а її градієнту, тобто тому, як сильно вона змінюється.
А змінюється вона тим сильніше, чим ближче один до одного розташовані об’єкти. Їхня найважливіша характеристика — «намагання» загальмувати обидва об’єкти так, щоб вони оберталися синхронно, тобто щоб оберт навколо осі відбувався за той самий час, що й оберт навколо центру мас пари.
У випадку і червоних карликів, і землеподібних планет «зона життя» розташована достатньо близько до зорі, аби припливні сили встигли це зробити за кілька мільярдів років. У результаті виходить так, що рік на планеті дорівнює добі, й один її бік завжди повернутий до зорі, а інший — завжди захований від неї.
Насправді навіть це твердження не на 100 % правильне. Річ у тім, що для найяскравіших червоних карликів, подібних до Лакайль 9352, зона життя розташована достатньо далеко від зорі, аби масивна землеподібна планета у ній не встигла синхронізувати своє обертання за час, який існує Земля. Зміна дня та ночі сильно уповільниться, але не зникне зовсім.
Але більшість землеподібних планет у системах червоних карликів справді повинні мати синхронне обертання або, як про цю ситуацію говорять, бути припливно захопленими. І саме з цього багато хто робить висновок, що один бік в екзопланет має являти собою розжарену нескінченним полуднем пустелю, а інший — постійне царство зими та ночі. І лише у вузькій смузі вздовж термінатора може існувати життя.
При цьому при висловлюванні таких поглядів забувається основна умова існування життя на планеті, схожого на земне, — наявність великої кількості рідкої води й кисню. А водні та повітряні маси мають одну важливу особливість. Вони активно поглинають величезні об’єми теплової енергії, а поглинувши її, починають мандрувати, намагаючись повернути всю систему до стану рівноваги.
Земні циклони та океанічні течії є проявом саме цього процесу. То чому б їм не врівноважувати температуру між освітленою та затемненою півкулями припливло захопленої планети так само, як Гольфстрім забезпечує Європу м’якішим кліматом, ніж той, що мав би бути, якщо виходити тільки з її географічного розташування.
Наскільки потужними будуть ці процеси й чи зможуть вони насправді сильно змінити ситуацію — предмет дуже складних моделювань, які враховують велику кількість факторів — від складу атмосфери до наявності суходолу на підсвіченому зорею боці планети. Вони показують, що існує велика кількість варіантів розвитку подій, але загалом можна сказати, що варіанти, коли велика частина припливно захопленої планети залишиться придатною для життя, існують.
Орбіта планети та лібрації
Наступний момент, який треба розуміти про суперечки щодо придатності до життя системи червоного карлика, полягає в тому, що обов’язковість переходу планети у припливно захоплений стан стосується тільки випадку, коли її орбіта близька до ідеально круглої, тобто її ексцентриситет близький до нуля.
Якщо ексцентриситет орбіти планети є значним, тобто вона витягнута, то ідеально синхронізувати її добове й річне обертання неможливо, оскільки швидкість руху планети по орбіті суттєво змінюється протягом року.
Це призведе до лібрацій — «хитання» планети у східно-західному напрямку відносно того положення, в якому вона нібито весь час повернута до своєї зорі. Якщо ж у неї до того ж вісь відхиляється від перпендикуляра до площини орбіти, то лібрації будуть відбуватися ще й у південно-північному напрямку.
Наскільки це важливий механізм, добре видно на прикладі все того ж Місяця. Ексцентриситет його орбіти складає лише 0,055, а вісь обертання нахилена відносно перпендикуляра до площини орбіти на 6,58°. Цього виявляється достатньо для того, щоб до Землі хоча б інколи виявлялися повернутими 59 % її поверхні, а не 50, як цього можна було б очікувати.
Якщо планета у зоні життя червоного карлика матиме орбіту з великим ексцентриситетом, то вона взагалі може синхронізувати річне і добове обертання не у резонансі 1:1, а 1:2 чи 3:2, і це означатиме, що хоча б інколи сонце буде видно по всій її поверхні. Звичайно, що при цьому доба дорівнюватиме кільком земним і витягнута орбіта означатиме різкі зміни освітленості, але ці умови хоча й екстремальні, але все одно не є бар’єром для розвитку життя.
Насправді ситуація, коли планета постійно обернена до своєї зорі одним боком, є доволі рідкісною і виникає лише за наближених до ідеальних умов — коли орбіта майже кругова, а вісь обертання перпендикулярна до її площини. У професійному середовищі обговорення планет у системах червоних карликів зосереджуються зовсім не на цьому аспекті.
Спалахи на червоних карликах
Насправді головним аргументом проти того, аби шукати життя на планетах червоних карликів, є їхня активність. Більша частина цих невеликих зір час від часу породжує спалахи, які значно переважають звичні нам сонячні. І якщо з короткочасним збільшенням яскравості у видимому діапазоні ще можна миритися, то часті й дуже потужні викиди високоенергетичних частинок становлять справді велику загрозу як самому життю, так і умовам для його виникнення.
Усе це доповнюється побоюваннями щодо того, що у припливно захоплених світів мають бути надзвичайно слабкі магнітні поля через все те ж припливне захоплення.
Насправді останнє твердження є сильно спекулятивним і базується на не дуже правильному розумінні суті припливного захоплення. За сучасними уявленнями, магнітне поле землеподібної планети народжується в результаті наявності всередині неї твердого струмопровідного ядра, яке обертається з трохи іншою швидкістю, ніж рідке струмопровідне середовище навколо нього.
І те, що планета є припливно захопленою, не означає, що вона не обертається навколо власної осі. Вона має робити це, нехай і набагато повільніше, ніж Земля. Як це може вплинути на напруженість магнітного поля — залишається під питанням. Для цього ми недостатньо знаємо про те, як у зовнішньому ядрі нашої планети формуються струмопровідні потоки речовини. Можливо, магнітне поле дійсно буде слабеньким, можливо — ні.
Проте головний аргумент, який наводять на користь неможливості життя на планетах червоних карликів, це те, що спалахи на них настільки потужні, що їх не зупинило б навіть земне магнітне поле. За сотні мільйонів років їхні численні повторення могли б не тільки убити життя на планеті, а й зруйнувати її атмосферу та гідросферу.
Атмосфера планети
Є безліч досліджень із розрахунками, які показують, що більшість землеподібних планет у системах червоних карликів мали б перетворитися на мертві камені без води та повітря лише за кілька сотень мільйонів років. Але також є чимало досліджень, які доводять, що щільна атмосфера та потужна гідросфера можуть поглинати спалахи хоч мільярди років, не зникаючи при цьому зовсім.
Руйнування атмосфери та гідросфери планет, що обертаються навколо червоних карликів, лишається реальною можливістю, з якою доводиться рахуватися. Але не фактом, бо руйнування атмосфери планети під дією сонячних спалахів ніхто не бачив. Найближчий аналог — Марс, який за мільярди років залишився без своєї газової оболонки в умовах, коли за відсутності сильного магнітного поля зазнавав значно слабшого, ніж на Землі, впливу високоенергетичних частинок.
Але однозначно сказати не можна, чи були вони головною причиною цього явища, чи низька сила тяжіння Червоної планети. Бо у Венери магнітне поле теж у 10–20 разів слабше за земне, але атмосфера при цьому у 93 рази щільніша, ніж у нашої планети. Чомусь її вплив Сонця не зруйнував.
Також відомо, що протягом історії Землі її поле зазнавало змін і послаблювалося в десятки разів. Але якихось ознак того, що під час цих подій жити на нашій планеті ставало гірше, не збереглося. Сліди підвищеної радіації є, а от слідів масових вимирань чи змін клімату, які можна було б пов’язати з руйнуванням атмосфери, немає.
Чому це важливо
Отже, остаточної відповіді на питання, чи можливе життя на планетах червоних карликів, немає. Скоріш за все, воно може там існувати, однак і того, що ці зорі створюють для нього нестерпні умови, ніхто виключити не може.
Причина, чому науковці так цікавляться, що ж там відбувається біля тих маленьких червоних зірочок, насправді полягає в тому, що відповідь на запитання щодо них сильно впливає на розуміння того, наскільки життя взагалі розповсюджене у Всесвіті.
Бо навіть найближча до нас планета Проксима Центавра b — це саме припливно захоплений землеподібний світ у зоні життя зорі, щодо якої ми не дуже впевнені, наскільки часто там відбуваються спалахи. І таких систем навколо багато.
І цілком можливо, що вже в наступні десятиліття питання про придатність планет червоних карликів стане трохи яснішим. Адже дослідження атмосфер екзопланет спектрографами тільки розпочинається. І вже сама наявність газової оболонки у світу, що обертається навколо червоного карлика, який породжує потужні спалахи, означатиме, що побоювання щодо останніх марні, принаймні для деяких випадків.
А якщо там знайдуть ще й хоча б воду та кисень, це вже однозначно означатиме, що ці світи варто враховувати у наших пошуках позаземного життя, так само як і решту планет.
