Красные карлики слишком тусклые, чтобы на них могла зародиться сложная жизнь

Фото из открытых источников

Одним из самых значимых событий — возможно, самым значимым за всю долгую, 4,5-миллиардную историю Земли — было Великое кислородное событие (ВКС). Когда на Земле появились фотосинтезирующие цианобактерии, они выделяли кислород в качестве побочного продукта метаболизма. Во время ВКС, начавшегося около 2,3 миллиарда лет назад, свободный кислород начал медленно накапливаться в атмосфере.

Потребовалось около 2,5 миллиардов лет, чтобы в атмосфере накопилось достаточно кислорода для возникновения сложной жизни. Сложная жизнь имеет более высокие энергетические потребности, и аэробное дыхание с использованием кислорода обеспечивало их. Свободный кислород в атмосфере в конечном итоге спровоцировал кембрийский взрыв — событие, ответственное за сложную животную жизнь, которую мы видим вокруг себя сегодня.

Этот процесс достаточно хорошо изучен в истории Земли, но происходит ли он на других мирах? Может ли он происходить на планетах, вращающихся вокруг тусклых красных карликов? Красные карлики (M-карлики) — самый распространенный тип звезд в Млечном пути, поэтому на них находится наибольшее количество экзопланет. Известно, что на них расположены каменистые, похожие на Землю миры, и ученые, изучающие экзопланеты, стремятся понять, могут ли эти многочисленные планеты действительно быть пригодными для жизни.

Вопрос в том, излучают ли красные карлики достаточно радиации для обеспечения фотосинтеза, способного вызвать эффект глобального окислительного события на планетах, вращающихся вокруг них?

Новое исследование посвящено этому вопросу. Оно было размещено на сайте препринтов arxiv.org, а также направлено в журнал Astrobiology. Авторами являются Джозеф Солиз и Уильям Уэлш из Департамента астрономии Государственного университета Сан-Диего. 

«Повышение уровня кислорода в атмосфере Земли во время Великого окислительного события (ГОС) произошло около 2,3 миллиарда лет назад», — пишут авторы. «Существует значительно большая неопределенность в отношении происхождения кислородного фотосинтеза, но, вероятно, он произошел значительно раньше, возможно, на 700 миллионов лет». Эта временная шкала относится к планете, получающей энергию от звезды, подобной Солнцу.

Но что насчет планеты, которая получает лишь то, что дает тусклый красный карлик? Как выглядит временная шкала, и возможно ли это вообще?

«Предполагая, что эта временная задержка пропорциональна скорости образования кислорода, мы можем оценить, сколько времени потребуется для возникновения события, подобного GOE, на гипотетической планете-аналоге Земли, вращающейся вокруг звезды TRAPPIST-1 (поздней звезды типа M с эффективной температурой 2560 К)», — объясняют авторы.

Всё сводится к фотонам. Слабый поток тусклых красных фотонов, исходящих от красных карликов, гораздо менее энергичен, чем поток фотонов, исходящий от звезд, подобных Солнцу. Обеспечивают ли они достаточно энергии для фотосинтеза?

Чтобы это выяснить, исследователи изучили хорошо известную систему TRAPPIST-1 . Это холодный красный карлик, расположенный примерно в 40 световых годах от нас, на котором находятся семь каменистых экзопланет размером с Землю, три из которых находятся в обитаемой зоне звезды. Одна из них, TRAPPIST-1e, представляет особый интерес. Ее размер и орбита делают ее довольно похожей на Землю.

Доказательств, подтверждающих возможность существования какой-либо жизни на этой планете, недостаточно, но в данном исследовании авторы задали остроумный вопрос. Какой бы была Земля, если бы она оказалась на месте TRAPPIST-1e? «По сути, мы задаём вопрос: „Что бы произошло, если бы мы заменили TRAPPIST-1e архейской Землёй?“», — пишут авторы.

«Хотя планета-аналог Земли, расположенная на орбите TRAPPIST-1e, находится в обитаемой зоне, она получала бы лишь 0,9% фотосинтетически активного излучения (ФАР), которое Земля получает от Солнца», — пишут авторы. «Это происходит потому, что большая часть света звезды излучается на длинах волн длиннее диапазона ФАР 400-700 нм. Таким образом, для возникновения глобального энергетического эффекта (ГОЭ) потребуется 63 миллиарда лет».

63 миллиарда лет — это намного больше, чем нынешний возраст Вселенной, поэтому вывод очевиден. Просто не прошло достаточно времени, чтобы кислород накопился на какой-либо планете-красном карлике и послужил толчком к возникновению сложной жизни, как это произошло на Земле с ГОЕ (Великой Эволюцией Оз).

Однако ситуация несколько улучшается, когда исследователи рассматривают более детальные аспекты.

«Однако линейное предположение проблематично; по мере увеличения уровня освещенности фотосинтез достигает насыщения, а затем снижается — эффект, известный как фотоингибирование. Фотоингибирование варьируется от вида к виду и зависит от множества факторов окружающей среды», — пишут авторы. «Также существует чувствительность к верхнему пределу длины волны ФАР: увеличение всего на 50 нм повышает количество фотонов в 2,5 раза».

Когда исследователи учли этот и другие факторы, временной масштаб для Великого окислительного события, вызванного красным карликом, значительно сократился: с одного до пяти миллиардов лет.

Но остается одна проблема. Некоторые фотосинтезирующие бактерии являются некислородными. Это означает, что, хотя они используют фотосинтез для преобразования солнечного света в метаболическую энергию, они не производят кислород. И им требуется гораздо меньше света. «Однако некислородные фотосинтезирующие бактерии могут процветать в условиях низкой освещенности и использовать ближний инфракрасный свет до 1100 нм, обеспечивая в 22 раза больше фотонов», — объясняют исследователи.

Это огромное преимущество перед кислородсодержащими фотосинтезирующими бактериями, такими как цианобактерии. Организмы конкурируют друг с другом, и это преимущество может определить будущее жизни на экзопланетах вокруг тусклых красных карликов. «Поскольку бескислородные бактерии эволюционировали раньше кислородсодержащих фотосинтезирующих, существовала прямая конкуренция за свет и питательные вещества», — пишут авторы.

«Благодаря огромному преимуществу в освещенности и более ранней эволюции, бескислородные фотосинтезирующие организмы, вероятно, доминировали бы в экосистеме», — объясняют исследователи. «На планете, подобной Земле, находящейся на поздней стадии эволюции звезды типа М, уровень кислорода в атмосфере может никогда не достичь значительных значений, и Великий окислительный взрыв может никогда не произойти, не говоря уже о кембрийском взрыве. Таким образом, сложная животная жизнь маловероятна».

Вывод основан на ряде необходимых предположений. Одно из них — необходимость кислорода для существования сложной жизни. Другое — предположение о том, что жизнь на этой гипотетической экзопланете возникла бы в сроки, аналогичные земным. Авторы указывают на ряд других предположений, но также отмечают, что почти все эти неизвестные факторы не влияют на ход решения. Это означает, что они влияют на временные рамки, но не противоречат общему выводу.

«Хотя мы не предполагаем, что путь, по которому пойдет жизнь на этом гипотетическом мире, будет идентичен тому, что произошло на Земле (даже если бы мы отмотали время назад и проиграли историю Земли заново, мы не считаем, что она была бы такой же), мы исходим из предположения, что временные масштабы примерно одинаковы», — объясняют исследователи. «Важно отметить, что погрешность в десятки процентов в оцененных временных масштабах не меняет выводов».

Авторы приходят к выводу, что на этой гипотетической планете, скорее всего, преобладали бы микробные сообщества, испытывающие недостаток света и очень медленно растущие в мелководье или влажной среде, без каких-либо конкурентов.

Но мы пока точно не знаем, насколько сложная жизнь на экзопланетах может отличаться от жизни на Земле, и авторы это признают. «Наконец, если будущие исследования покажут, что мы ошибаемся, то есть в атмосфере экзопланеты на поздней стадии развития карликовой звезды типа M будет обнаружено большое количество кислорода, это будет чрезвычайно захватывающе. Это будет означать, что жизнь нашла способ осуществлять кислородный фотосинтез путем объединения нескольких фотонов ближнего инфракрасного диапазона — поразительное достижение», — заключают исследователи.

Проводится множество исследований и дискуссий о пригодности красных карликов для жизни. Большая часть из них сосредоточена на вспышках в красных карликах. Эти звезды могут демонстрировать вспышки, достаточно мощные, чтобы разрушить атмосферы любых экзопланет в их обитаемых зонах.

Однако, как показывают эти исследования, простая слабость звездного излучения этих звезд может полностью исключить существование сложной жизни. В таком случае вопрос о том, способны ли они поддерживать атмосферу, становится менее актуальным.