Большая часть известных сегодня экзопланет находится в системах красных карликов. Однако многие специалисты говорят, что даже если речь идет о мирах, похожих по размеру и степени освещенности на Землю, все равно жизнь на них невозможна. Другие ученые с ними не согласны, и это порождает споры, которые продолжаются уже не один год.
Планеты в системах красных карликов
Одной из самых дискуссионных тем в современной астрономии является возможность существования жизни в системах красных карликов. Новости о том, что ученые якобы доказали высокую вероятность ее существования или, наоборот, полную невозможность, появляются довольно регулярно. На самом деле это говорит лишь об одном — никакого научного консенсуса по этому вопросу пока нет.
Первоисточником здесь выступает тот факт, что 75 % звезд нашей Галактики — именно красные карлики. Как следствие, большая часть открытий экзопланет связана именно с ними. А то, что эти светила тусклые, дополнительно повышает шанс найти мир, похожий на Землю, на орбите, которая обеспечивает похожие температурные условия на поверхности, да еще и часто достаточно близко от нас.
И вот эта вроде как сенсационная новость сразу же наталкивается на мысль, что все это не имеет значения, потому что это планета на орбите красного карлика поэтому… И вот здесь надо прибегнуть к значительно более детальному разбору всей аргументации, которой оперируют стороны в спорах.
Первое, что надо уяснить: красные карлики — звезды намного меньше и холоднее, а значит — тусклее Солнца. Люди, не очень сильно разбирающиеся в астрономии, могут из этого сделать вывод, что вся проблема в том, что их планеты будут намного холоднее Земли.
Это было бы правдой, если бы мир, аналогичный по массе и химическому составу, размещался на том же расстоянии от звезды, что и Земля. Однако ничто не мешает планете быть настолько близко к своему светилу, что даже очень слабые лучи разогревают ее до температур, при которых возможна жизнь.
На самом деле к красным карликам относятся очень разные звезды: от Лакайль 9352 (спектральный класс M0.5V), имеющей 48 % массы Солнца и 3,7 % его светимости, до DEN 1048-3956 (спектральный класс M8.5), имеющей лишь 7 % массы Солнца и 1,6 миллионных доли его светимости. То есть на самом деле под этим названием объединили объекты, светимость которых может отличаться в тысячи раз.
И этот факт означает, что ширина орбит планет также может отличаться в десятки и сотни раз. Но если астрономы говорят, что мир находится в зоне жизни своей звезды, то это означает, что он получает от своей звезды достаточно энергии для того, чтобы на поверхности могла существовать жидкая вода, независимо от того, как далеко от звезды проходит орбита и сколько земных суток длится год.
Приливный захват, атмосфера и гидросфера
И вот тут вступает в игру первый серьезный аргумент противников существования жизни на планетах красных карликов — приливные силы. Те самые, что вызывают поднятие воды в океанах и то, что Луна всегда повернута к нам одной и той же стороной. И они пропорциональны не силе притяжения, а ее градиенту, то есть тому, как сильно она меняется.
А изменяется она тем сильнее, чем ближе друг к другу расположены объекты. Их важнейшая характеристика — «попытка» затормозить оба объекта так, чтобы они вращались синхронно, то есть чтобы оборот вокруг оси происходил за то же время, что и оборот вокруг центра масс пары.
И в случае красных карликов и землеподобных планет «зона жизни» находится достаточно близко к звезде, чтобы приливные силы успели это сделать за несколько миллиардов лет. В результате получается так, что год на планете равен суткам и одна ее сторона всегда повернута к звезде, а другая — всегда спрятана от нее.
На самом деле даже это утверждение не на 100 % правильное. Дело в том, что для самых ярких красных карликов, подобных Лакайль 9352, зона жизни находится достаточно далеко от звезды, чтобы массивная землеподобная планета в ней не успела синхронизировать свое вращение за время, которое существует Земля. Смена дня и ночи сильно замедлится, но не исчезнет совсем.
Но большинство землеподобных планет в системах красных карликов действительно должны иметь синхронное вращение или, как об этой ситуации говорят, быть приливно захваченными. И именно из этого многие делают вывод, что одна сторона у экзопланет должна представлять собой раскаленную бесконечным полуднем пустыню, а другая — постоянное царство зимы и ночи. И лишь в узкой полосе вдоль терминатора может существовать жизнь.
При этом при высказывании таких взглядов забывается основное условие существования жизни на планете, похожей на земную, — наличие большого количества жидкой воды и кислорода. А водные и воздушные массы имеют одну важную особенность. Они активно поглощают огромные объемы тепловой энергии, а поглотив ее, начинают путешествовать, пытаясь вернуть всю систему в состояние равновесия.
Земные циклоны и океанические течения являются проявлением именно этого процесса. Так почему бы им не уравновешивать температуру между освещенным и затемненным полушариями приливной захваченной планеты так же, как Гольфстрим обеспечивает Европу более мягким климатом, чем тот, что должен был бы быть, если исходить только из ее географического расположения.
Насколько мощными будут эти процессы и смогут ли они на самом деле сильно изменить ситуацию — предмет очень сложных моделирований, которые учитывают большое количество факторов — от состава атмосферы до наличия суши на подсвеченной звездой стороне планеты. Они показывают, что существует большое количество вариантов развития событий, но в целом можно сказать, что варианты, когда большая часть приливной захваченной планеты останется пригодной для жизни, существуют.
Орбита планеты и либрации
Следующий момент, который надо понимать относительно споров о пригодности к жизни системы красного карлика, заключается в том, что обязательность перехода планеты в приливно захваченное состояние касается только случая, когда ее орбита близка к идеально круглой, то есть ее эксцентриситет близок к нулю.
Если эксцентриситет орбиты планеты является значительным, то есть она вытянута, то идеально синхронизировать ее суточное и годовое вращение невозможно, поскольку скорость движения планеты по орбите существенно меняется в течение года.
Это приведет к либрациям — «качанию» планеты в восточно-западном направлении относительно того положения, в котором она якобы все время повернута к своей звезде. Если же у нее к тому же ось отклоняется от перпендикуляра к плоскости орбиты, то либрации будут происходить еще и в южно-северном направлении.
Насколько это важный механизм, хорошо видно на примере все той же Луны. Эксцентриситет ее орбиты составляет лишь 0,055, а ось вращения наклонена относительно перпендикуляра к плоскости орбиты на 6,58°. Этого оказывается достаточно для того, чтобы к Земле хотя бы иногда оказывались повернутыми 59 % ее поверхности, а не 50, как этого можно было бы ожидать.
Если планета в зоне жизни красного карлика будет иметь орбиту с большим эксцентриситетом, то она вообще может синхронизировать годовое и суточное вращение не в резонансе 1:1, а 1:2 или 3:2, и это будет означать, что хотя бы иногда солнце будет видно по всей ее поверхности. Конечно, при этом сутки будут равны нескольким земным и вытянутая орбита будет означать резкие изменения освещенности, но эти условия хотя и экстремальные, но все равно барьером для развития жизни не являются.
На самом деле ситуация, когда планета постоянно обращена к своей звезде одной стороной, довольно редкая и возникает только при приближенных к идеальным условиям — когда орбита почти круговая, а ось вращения перпендикулярна к ее плоскости. В профессиональной среде обсуждения планет в системах красных карликов сосредотачиваются совсем не на этом аспекте.
Вспышки на красных карликах
На самом деле главным аргументом против того, чтобы искать жизнь на планетах красных карликов, является их активность. Большая часть этих небольших звезд время от времени порождает вспышки, которые значительно превосходят привычные нам солнечные. И если с кратковременным увеличением яркости в видимом диапазоне еще можно мириться, то частые и очень мощные выбросы высокоэнергетических частиц представляют действительно большую угрозу как самой жизни, так и условиям для ее возникновения.
Все это дополняется опасениями относительно того, что у приливно захваченных миров должны быть чрезвычайно слабые магнитные поля из-за все того же приливного захвата.
На самом деле последнее утверждение является сильно спекулятивным и базируется на не очень правильном понимании сути приливного захвата. По современным представлениям, магнитное поле землеподобной планеты рождается в результате наличия внутри нее твердого токопроводящего ядра, которое вращается с несколько иной скоростью, чем жидкая токопроводящая среда вокруг него.
И то, что планета является приливно захваченной, не означает, что она не вращается вокруг собственной оси. Она должна делать это, пусть и гораздо медленнее, чем Земля. Как это может повлиять на напряженность магнитного поля — остается под вопросом. Для этого мы недостаточно знаем о том, как во внешнем ядре нашей планеты формируются токопроводящие потоки вещества. Возможно, магнитное поле действительно будет слабеньким, возможно — нет.
Однако главный аргумент, который приводят в пользу невозможности жизни на планетах красных карликов, это то, что вспышки на них настолько мощные, что их не остановило бы даже земное магнитное поле. За сотни миллионов лет их многочисленные повторения могли бы не только убить жизнь на планете, но и разрушить ее атмосферу и гидросферу.
Атмосфера планеты
Есть множество исследований с расчетами, которые показывают, что большинство землеподобных планет в системах красных карликов должны были бы превратиться в мертвые камни без воды и воздуха всего за несколько сотен миллионов лет. Но также есть немало исследований, которые доказывают, что плотная атмосфера и мощная гидросфера могут поглощать вспышки хоть миллиарды лет, не исчезая при этом совсем.
Разрушение атмосферы и гидросферы планет, вращающихся вокруг красных карликов, остается реальной возможностью, с которой приходится считаться. Но не фактом, потому что разрушение атмосферы планеты под действием солнечных вспышек никто не видел. Ближайший аналог — Марс, который за миллиарды лет остался без своей газовой оболочки в условиях, когда при отсутствии сильного магнитного поля испытывал значительно более слабое, чем на Земле, воздействие высокоэнергетических частиц.
Но однозначно сказать нельзя, были ли они главной причиной этого явления, или низкая сила притяжения Красной планеты. Потому что у Венеры магнитное поле тоже в 10–20 раз слабее земного, но атмосфера при этом в 93 раза плотнее, чем у нашей планеты. Почему-то ее влияние Солнца не разрушило.
Также известно, что на протяжении истории Земли ее магнитное поле претерпевало изменения и ослаблялось в десятки раз. Но каких-то признаков того, что во время этих событий жить на нашей планете становилось хуже, не сохранилось. Следы повышенной радиации есть, а вот следов массовых вымираний или изменений климата, которые можно было бы связать с разрушением атмосферы, нет.
Почему это важно
Итак, окончательного ответа на вопрос, возможна ли жизнь на планетах красных карликов, нет. Скорее всего, она может там существовать, однако и того, что эти звезды создают для нее невыносимые условия, никто исключить не может.
Причина, почему ученые так интересуются, что же там происходит у тех маленьких красных звездочек, на самом деле заключается в том, что ответ на вопрос о них сильно влияет на понимание того, насколько жизнь вообще распространена во Вселенной.
Потому что даже ближайшая к нам планета Проксима Центавра b — это именно приливно захваченный землеподобный мир в зоне жизни звезды, по которой мы не очень уверены, насколько часто там происходят вспышки. И таких систем вокруг много.
И вполне возможно, что уже в следующие десятилетия вопрос о пригодности планет красных карликов станет немного яснее. Ведь исследование атмосфер экзопланет спектрографами только начинается. И уже само наличие газовой оболочки у мира, вращающегося вокруг красного карлика, который порождает мощные вспышки, будет означать, что опасения относительно последних напрасны, по крайней мере для некоторых случаев.
А если там найдут еще и хотя бы воду и кислород, это уже однозначно означает, что эти миры стоит учитывать в наших поисках внеземной жизни, так же как и остальные планеты.
