Расчеты астрономов «удушили» жизнь вокруг самых массовых звезд Вселенной

Красные карлики — это примерно три четверти всех известных звезд Вселенной. Наблюдения космических телескопов показали, что вокруг них вращается много планет, по размерам и плотности близких к Земле. Так обстоит дело и с самой близкой к нам изо всех звезд, Проксима Центавра. Подобная картина существенно усложняет парадокс Циолковского-Ферми, поскольку подталкивает к выводу, что жизнь во Вселенной должна быть крайне распространена. Но никаких явно посещающих нас цивилизаций при этом не наблюдается.

Десятки лет многие астрономы и астрофизики пытались решить эту проблему, подбирая доводы в пользу необитаемости красных карликов. Одни ученые утверждали, что у тех слишком сильные вспышки, которые сдуют всю атмосферу. Звучало правдоподобно, но потом телескопы показали, что многие планеты у карликов на практике имеют довольно внушительную атмосферу. Другие полагали, что приливной захват — когда планета смотрит на звезду все время одной стороной — исключает обитаемость. Но затем расчеты показали, что атмосфера земного типа не даст планете в таких условиях ни перегреться на светлой стороне, ни переохладиться на темной.

Теперь исследователи из США подкинули еще одну проблему для жизни вокруг красных карликов — по крайней мере, сложной жизни. В своей работе, которую они выложили на сервере препринтов Корнеллского университета, они обратились к спектру излучения таких звезд.

Взяв как пример красный карлик TRAPPIST-1 — тусклый красный карлик, вокруг которого вращается сразу несколько планет, близких к Земле по размерам, — они обнаружили, что так называемое фотосинтетически активное излучение этой звезды равно лишь 0,9 процента от солнечного. То есть планета, получающая от этого светила столько же энергии, сколько Земля от Солнца, даст своим растениям примерно в 110 раз меньше энергии для фотосинтеза, чем наша.

Эту проблему не решить, «подвинув» орбиту планеты у красного карлика поближе к нему: тогда ее перегреет инфракрасное излучение от карлика и она потеряет жидкую воду, став непригодной для жизни. А при таком уровне освещения, заключили авторы работы, переход к хотя бы слабокислородной атмосфере, как на Земле пару миллиардов лет назад, займет 63 миллиарда лет. Что в несколько раз больше времени существования Вселенной. В этом случае красные карлики сразу уходят из парадокса Циолковского-Ферми, потому что никак не успели бы сформировать сложную жизнь.

Черным показано количество фотонов, пригодных для земного фотосинтеза и падающих на современную Землю. Синим — такое же количество для Земли 2,65 миллиарда лет назад Красным — оно же для планеты TRAPPIST-1e. Затененные области показывают полосу в 400-700 нанометров (это излучение используют почти все земные растения), полосу в 400-750 нанометров (авторы допускают, что такая полоса может быть у фотосинтетиков вокруг красных карликов) и такую же полосу для бескислородных фотосинтетиков Земли (400-1100 нанометров) / © Joseph J. Soliz, William F. Welsh

Исследователи упомянули, что их расчеты содержат некоторые изъяны. Так, при росте уровня освещения выше определенного, наступает так называемое фотоингибирование: рост скорости фотосинтеза прекращается. То есть полный солнечный уровень фотосинтетически активного излучения растениям в норме не нужен. Кроме того, отмечают они, если растения планет вокруг красных карликов могут использовать электромагнитные волны всего на 50 нанометров длиннее тех, что соответствуют красному цвету, то они сразу получат в 2,5 раза больше фотосинтетически активного излучения.

С учетом этих факторов скорость насыщения атмосферы кислородом там может сократиться до 1-5 миллиардов лет. Вообще говоря, красных карликов старше этого порога много, включая и ближайшую к нам звездную систему. Однако от насыщения кислородом до уровня Земли два миллиарда лет назад до сложной жизни еще очень большая дистанция: концентрация О2 в атмосфере за это время выросла кратно.

Сколько на самом деле потенциально обитаемых планет в нашей Галактике? В июне 2020 года канадские астрономы рассчитали, что в Млечном Пути может быть пять миллиардов планет, похожих на Землю и вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце. Однако это лишь видимая часть … naked-science.ru

Ученые отметили, что некоторые фотосинтезирующие бактерии, не производящие кислород, способны использовать для фотосинтеза ближнее инфракрасное излучение с длиной волны до 1100 нанометров. Такие организмы смогут использовать в 22 раза больше энергии, идущей от красного карлика (если сравнивать с нашими растениями). Следовательно, такие фотосинтетики и должны доминировать в мире красного карлика. Правда, в этом случае достижение кислородной атмосферы может и вовсе не произойти: фотосинтез без кислорода к ней не ведет.

Хотя исследователи дали интересный угол зрения на проблему, в работе есть ряд узких мест, связанных с биологией. Дело в том, что даже у земной природы нет четкой корреляции между уровнем наработки кислорода и освещенностью. Точка, при которой фотосинтетик нарабатывает столько же кислорода, сколько потребляет, у разных организмов очень разная. Светолюбивые требуют уровня не ниже нескольких процентов от земной освещенности в ясный день. Теневыносливые — скажем, папоротники — достигают той же точки при освещении до 0,5 процента от земного ясного дня. То есть даже они на планете вокруг красного карлика могли бы нарабатывать кислород.

Но есть и куда более эффективные наработчики. Например, микроводоросли подо льдами высоких широт начинают нарабатывать больше кислорода, чем берут для дыхания в месяц равноденствия, при уровне освещения в десятки тысяч раз ниже типичного ясного дня. Их аналоги на других мирах вполне могут быть еще менее требовательными. Но даже если они имеют те же способности, эти микроводоросли будут нарабатывать кислород в условиях красных карликов как минимум не слабее, чем у себя подо льдами. Сами по себе уровни в 0,9 процента от земной фотосинтетически активной радиации не будут каким-то непреодолимым препятствием для успеха наработки кислорода в других мирах.

Напомним, что на Земле есть экосистемы, которые при нашем уровне освещенности нарабатывают кислорода не больше, чем потребляют — например, джунгли Амазонии. В то же время, микроводоросли Арктики синтезируют его больше, чем потребляют (за счет того, что после смерти опускаются на дно, а не гниют у поверхности, как земные деревья). Все это делает чисто количественные ограничения на насыщение кислородом планетной атмосферы весьма гипотетическими.