Жизнепригодность системы красного карлика

Планета, обращающаяся по орбите вокруг красного карлика, в представлении художника

Определение жизнепригодности системы красного карлика может помочь определить вероятность наличия внеземной жизни, так как красные карлики составляют большинство звёзд в нашей галактике. В то время как относительно малое количество излучаемой энергии, небольшой размер обитаемой зоны, высокая вероятность захвата планеты приливными силами и высокая изменчивость звезды являются значительными препятствиями для возникновения и поддержания жизни, распространённость и долговечность красных карликов являются положительными факторами.

Возникновение и поддержание жизни около коричневых карликов, которые, возможно, ещё более многочисленны, считается маловероятным, так как выделяемое ими тепло очень незначительно и быстро рассеивается.

Характеристики красного карлика

Основная статья: Красный карлик

Красный карлик является самым маленьким, наиболее холодным и распространённым типом звезд. Оценка их численности варьируется в диапазоне от 70 % до 90 % от числа всех звёзд в галактике^[1][2]. Красные карлики имеют спектральный класс M или верхний K. Учитывая их низкое излучение, ни один из красных карликов не виден с Земли невооружённым глазом. Даже ближайший к Солнцу красный карлик Проксима Центавра (самая близкая к Солнцу звезда в тройной системе) и ближайший одиночный красный карлик, звезда Барнарда, имеют видимую звёздную величину 11,09 и 9,53 соответственно. При этом невооружённым взглядом можно наблюдать звезду со звёздной величиной до 7,72^[3].

Исследование

Излучение света и приливные силы

Относительные размеры звезды и температуры её фотосферы. Для достижения типичных для Земли температур планеты должны быть расположены близко к красному карлику

В течение многих лет астрономы исключали системы красных карликов из списка потенциальных мест, в которых, возможно, существование жизни. Небольшие размеры красного карлика (0,1—0,6 M_☉) означают, что их ядерные реакции происходят очень медленно и они испускают мало света (0,01—3 % солнечного света). Для того, чтобы достичь температуры поверхности, как на Земле, орбита планеты около красного карлика должна быть расположена очень близко к своей звезде. К примеру, для звезды AX Микроскопа орбита должна быть 0,3 а.е. (внутри орбиты Меркурия), а для Проксимы Центавра орбита будет всего лишь 0,032 а.е. (год на планете длился бы всего 6,3 дня)^[4].

Планеты, которые находятся достаточно близко к красным карликам и получают необходимое количество тепла для нахождения воды в жидком состоянии, вероятно, захвачены приливными силами своих звёзд так, что планета совершает только один оборот вокруг своей оси при завершении витка вокруг звезды. Это означает, что одна часть планеты всегда обращена к звезде в то время, как на другой части планеты царит вечная ночь. Похожую ситуацию можно наблюдать в системе Земля—Луна, где Луна повернута к Земле всегда одной стороной. Жизнь на такой планете может быть ограничена терминатором.

Если же планета типа «газовый гигант» на низкой орбите (существование таких планет было подтвержденно астрономами в последние годы) имеет достаточно массивный спутник, чтобы удержать атмосферу, то он может быть захвачен приливными силами планеты, а не звезды, и поэтому он скорее всего будет иметь цикл смены дня и ночи, тем самым повышая шансы на обитаемость спутника. Приливные силы между этими двумя телами будут также поддерживать центры планеты и её спутника в жидком состоянии, тем самым вырабатывая достаточно сильные магнитные поля, чтобы защитить планету и её спутник от вспышек ближайшей родительской звезды.

Планета, захваченная приливными силами, нуждается в достаточно толстой атмосфере, чтобы передать часть тепла с освещённой стороны на ночную. Это препятствовало бы падению температуры атмосферы ночной стороны ниже точки росы и снижению атмосферного давления, которое в свою очередь может повлечь перемещение воздушных масс на ночную часть, пока вся атмосфера не замёрзнет на ночной стороне. Длительное время предполагалось, что такая плотная атмосфера препятствовала бы фотосинтезу растений на дневной стороне. Однако более поздние исследования предполагают другое. В 2010 году были проведены исследования, согласно которым планеты, подобные Земле и обращённые к звезде одной стороной, будут иметь температуру на ночной стороне выше −33 °C^[5]. Исследования Роберта Хэберли и Маноя Джоши из исследовательского центра Ames (НАСА) в Калифорнии, показали, что атмосфера планеты (предполагая, что она содержит газы CO₂ и H₂O) может составлять лишь 100 миллибар или 10 % от атмосферы Земли, для того, чтобы тепло эффективно переносилось на ночную сторону^[6]. Это находится в пределах, необходимых для фотосинтеза растений на дневной стороне, хотя некоторые из их моделей предполагают воду в замёрзшем состоянии на тёмной стороне. Мартин Хит из колледжа в Гринвиче показал, что морская вода также может эффективно циркулировать без замерзания в случае, если океанические бассейны являются достаточно глубокими для обеспечения беспрепятственного течения под ледяной шапкой ночной стороны. Геотермальное тепло также может помочь сохранить глубокие слои океана в жидком состоянии. Дальнейшие исследования, в том числе, изучение количества активной радиации, предположили, что планеты, захваченные приливными силами красного карлика, по меньшей мере могут быть пригодным для жизни высших растений^[7].

Фотосинтез

При определении планеты красного карлика в качестве потенциально пригодной для жизни размер и яркость звезды не являются единственными факторами. Если планета захвачена приливными силами, то на дневной стороне, вследствие того, что солнце не всходит и не заходит, районы в тени гор будут оставаться в тени всегда. Фотосинтез также будет осложнён тем фактом, что красный карлик производит бо́льшую часть своего излучения в инфракрасном диапазоне, а на Земле процесс зависит от видимого света. Фотосинтез на планете красного карлика потребовал бы дополнительных фотонов для достижения потенциалов возбуждения, сравнимых с теми, которые необходимы для передачи электронов в процессе фотосинтеза на Земле. Это связано с низким средним уровнем энергии фотонов ближнего ИК-диапазона по сравнению с фотонами видимого света^[8]. После адаптации к более широкому спектру для получения максимального количества энергии листва на обитаемой планете около красного карлика, вероятно, будет выглядеть чёрной, если рассматривать её в видимом свете^[8].

Погодные условия и обитаемость

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.

В связи с разностью нагрева на захваченной приливными силами планете будут дуть сильные ветры в направлении ночной стороны с постоянными проливными дождями. Все это делает жизнь на планете маловероятной^[9]. Но учёные, работавшие над документальным фильмом «Аурелия и Голубая луна», думают иначе.

Растения могли бы приспособиться к сильным ветрам, например, закрепляясь надёжно в почве и отращивая длинные гибкие побеги, которые не ломаются под сильным ветром (в фантастическом рассказе Роберта Шекли «Поднимается ветер» лианы на планете Карелл, где постоянно дуют ураганные ветры, по прочности превосходят стальные тросы). В тусклом красном свете растения, вероятно, будут менее продуктивными, поэтому следует ожидать меньше кислорода в атмосфере, следовательно животные будут ограничены в размерах. Животные, скорее всего, будут полагаться на инфракрасное зрение (инфракрасным зрением обладают, например, обитатели планеты Дис в повести Андре Нортон «Ночь масок»), поскольку передача сигналов посредством звука или запаха будет затруднена из-за шума шторма, постоянно бушующего на планете. Подводная жизнь, однако, будет защищена от ветров и вспышек на солнце, поэтому обширные массы чёрного планктона и водорослей могут поддерживать морскую жизнь^[10].

Солнце и Gliese 581

Ещё одной проблемой на таких планетах может быть накопление воды в виде ледников на ночной стороне планеты и выкипание или выпаривание океанов на дневной стороне. Фактором может быть ландшафт неосвещенной части планеты. Разница между толщиной ледового покрова в Арктике и Антарктиде различается в сотни раз потому, что лёд в виде ледника движется гораздо медленнее, чем в виде айсберга. Поэтому вполне возможно, что территория океанов на освещённой части планеты может колебаться в зависимости от места нахождения континентов на планете. Конечно, это может и не представлять серьёзных проблем для океанов, и обледенение ночной стороны может достигнуть предела ограниченного сползанием ледников в дневную сторону планеты, в особенности если количество воды на планете больше, чем на Земле, то есть планета покрыта достаточно массивным слоем воды, чтобы позволить существование, одновременно океана и многокилометрового ледника покрывающего половину планеты. Однако для обитаемости такая планета не должна быть чрезмерно «мокрой» так как планета типа «Планета-океан», где все полезные ископаемые погребены под сотнями километров льда, не сможет обеспечивать планктон необходимыми для жизни микроэлементами (то есть фосфором), и поэтому такая планета будет по большей части пустыней, несмотря на наличие жидкой воды. Жизнь на планете такого типа, если она существует, наверно, будет обеспеченна лишь материалом, попадающим в атмосферу с метеоритами. Возможно, в системе, где отсутствуют массивные планеты (как например Юпитер), которые поглощают бо́льшую часть метеоритов и астероидов, масса космического материала попадающего на планету будет значительно больше, чем на Земле, и это, возможно, позволит существовать планктону, возможно, использующему более экзотические микроэлементы для формирования молекул ДНК (например мышьяк), и со временем могут появится и животные, питающиеся планктоном. Однако количество метеоритов в звёздной системе ограниченно, и со временем интенсивность метеоритного дождя уменьшится, что, возможно, приведёт к вымиранию организмов на планете. Так же формирование планет со значительным количеством воды вблизи звезды маловероятно по мнению некоторых учёных, так как температура на такой орбите слишком высока для этого.^[11] То есть планета должна возникнуть на более высокой орбите и затем приблизится к звезде, если на ней вероятно существование океанов. Если же воды на планете гораздо меньше, чем на Земле, то вполне возможно полное выкипание океанов на дневной части планеты и существование жидкой воды лишь в ночной части планеты, где невозможен фотосинтез. Экстремальным примером такого явления (из числа известных астрономам планет) является суперземля CoRoT-7 b. В то время, как освещённая сторона представляет собой бурлящий океан магмы, находящийся в непрерывной конвекции, неосвещённая сторона, вероятно, находится на коре застывшей лавы и, возможно, покрыта огромным слоем обычного водяного льда. Хотя, конечно, CoRoT-7 b вращается вокруг гораздо более яркой звезды, чем красный карлик, и поэтому на более прохладной планете освещённая часть, наверное, не будет расплавлена, и возможно будет иметь население из числа экстремофилов.

Альтернативно этому сценарию на планете с достаточно высокой температурой ночная сторона может быть разогрета интенсивными ветрами с дневной стороны (аналогично Венере), тем самым не позволяя формирование ледников или расплавляя их на значительном расстоянии от терминатора и образовывая на неосвещённой стороне огромные заболоченные пустыни, из которых могут истекать мощные реки наподобие Амазонки, которые будут впадать в сравнительно небольшие водоёмы (наподобие Аральского моря), вода из которых будет выкипать. В таких условиях жизнь может существовать в долинах вдоль рек, и животные будут использовать неосвещённую сторону терминатора для размножения аналогично тому, как земные животные с инстинктом сезонной миграции. В таких условиях количество кислорода, произведённого фотосинтетиками, будет невысоко, что может привести к накоплению в атмосфере двуокиси углерода и разогреву планеты до уровня, когда все ледники на ночной стороне растают, что в свою очередь приведёт к циклическому восстановлению океанов на дневной стороне.

Изменчивость

Красные карлики гораздо более изменчивы и непредсказуемы, чем их более стабильные большие аналоги. Часто они бывают покрыты пятнами, которые могут уменьшать излучаемый свет на 40 % в течение нескольких месяцев. Однако на Земле жизнь приспособилась различными способами к похожим понижениям температуры во время зимы. Животные могут выжить, находясь в зимней спячке и/или погружаясь в глубокие воды, где температура должна быть более постоянной. Более серьёзная проблема в том, что океаны, возможно, замерзают в холодные периоды. После того, как холод закончится, альбедо планеты будет выше, являясь причиной того, что свет от красного карлика будет отражён. Это в свою очередь может привести к условиям, аналогичным временам «Земли-снежка», и ледниковый период в районе терминатора планеты может длиться миллионы лет.

В других случаях, красные карлики излучают гигантские вспышки, вследствие которых звезда может удвоить свою яркость в течение нескольких минут^[12]. По мере того, как всё больше и больше красных карликов исследовалось на изменчивость, большинство из них были классифицированы в качестве вспыхивающих звёзд. Такие изменения в яркости могут быть очень разрушительными для жизни. Вспышки также могут «сдуть» значительную часть атмосферы планеты. Однако, если планета имеет магнитное поле, то это позволило бы отклонить частицы от атмосферы. И даже медленных вращений приливно захваченных планет (один поворот вокруг оси за время витка вокруг звезды) будет достаточно, чтобы генерировать магнитное поле всё время, пока внутренняя часть планеты остаётся расплавленной.[1]

Однако период, во время которого происходят интенсивные вспышки, длится примерно первые 1,2 миллиарда лет существования красного карлика. Если планета формируется далеко от красного карлика, что позволяет избежать захвата приливными силами, а затем мигрирует в обитаемую зону звезды после неспокойного начального периода, то вполне возможно, что у жизни может быть шанс развиться^[13].

Жизнь изначально может защитить себя от радиации, оставаясь под водой до тех пор, пока звезда не пройдёт свой ранний период с мощными вспышками, если предположить, что планета может сохранить достаточную для производства жидкого океана атмосферу. Учёные, которые создали «Аурелию», считают, что жизнь может выжить и на суше, несмотря на вспышки красного карлика. Как известно по Земле жизнь на суше возникла гораздо позднее чем жизнь в океане — лишь около 500 млн лет назад, так что вероятность того, что нестабильность красного карлика окажет негативное влияние на развитие сухопутных организмов, невысока. Как только жизнь достигнет суши, низкое количество ультрафиолета, производимое спокойным красным карликом, будет означать, что жизнь может процветать без озонового слоя, и, следовательно, не должна производить кислород^[8].

Другие учёные не согласны, что красные карлики могут поддерживать жизнь (см. гипотезу уникальной Земли). Захват приливными силами скорее всего приведёт к относительно низкому планетарному магнитному моменту. Активный красный карлик, который испускает корональные выбросы массы, выгнул бы назад магнитосферу планеты, пока она не достигла бы атмосферы. В результате атмосфера подверглась бы сильной эрозии, возможно, делая планету непригодной для жизни^[14].

Взаимодействие атмосферы Венеры с солнечным ветром

Однако в зависимости от массивности планеты существенная эррозия атмосферы может занять десятки миллиардов лет. Примером планеты без значительного магнитного поля, но с массивной атмосферой является Венера. Несмотря на высокую температуру поверхности планета имеет атмосферу, состоящую из диоксида углерода. Молекулы этого газа слишком тяжелы для того, чтобы быть вынесенными из гравитационного поля планеты. Также фактором является магнетизация ионосферы ультафиолетовым излучением Солнца, в результате чего создаётся наведённое магнитное поле, являющееся неким эквивалентом магнитного поля Земли, что сводит эрозию атмосферы к минимуму. Конечно, на Венере большая часть воды всё же была сравнительно быстро, в течение нескольких сот миллионов лет после формирования планеты, утеряна вследствие эрозии, что объясняется нахождением планеты вне зоны обитания и существованием высокого «парникового эффекта», приведшего к испарению воды с поверхности планеты. В условиях когда температура планеты значительно ниже, чем на Венере, что может привести к обледенению ночной части планеты, потеря водяного пара может быть гораздо менее чувствительной. Если же гравитация планеты выше, чем у Венеры, то эти потери могут быть ещё менее значительными.

Распространённость

Есть, однако, одно главное преимущество красных карликов по сравнению с другими звёздами: они существуют очень долго. Прошло 4,5 миллиарда лет, прежде чем человечество появилось на Земле, и для жизни сложились подходящие условия всего за полмиллиарда лет до этого^[15]. Красные карлики, напротив, могут жить триллионы лет, потому что в их недрах ядерные реакции протекают гораздо медленнее, чем у бо́льших звезд, а это означает, что жизнь будет иметь больше времени, чтобы развиться и выжить. Кроме того, несмотря на то, что вероятность нахождения планеты в обитаемой зоне вокруг какого-либо конкретного красного карлика неизвестна, общий объём обитаемой зоны вокруг всех красных карликов равен общему объёму обитаемой зоны вокруг солнцеподобных звёзд, учитывая их повсеместность^[16]. Первая суперземля с массой в 3-4 раза больше Земли была обнаружена в потенциально обитаемой зоне своей звезды Глизе 581, которая является красным карликом. Хотя она захвачена приливными силами, вполне возможно, что на терминаторе может существовать жидкая вода^[17]. Учёные полагают, что возраст планеты около 7 миллиардов лет, и она имеет достаточно большую массу, чтобы удерживать атмосферу.

В конце 2011 года обработка результатов полученных на спектрографе HARPS позволила сделать выводы о частоте появления землеподобных экзопланет у красных карликов в «зоне жидкой воды». Оказалось что в среднем у 41⁺⁵⁴₋₁₃% красных карликов ожидается наличие в зоне обитаемости землеподобных планет с массой 1—10 М_⊕. По причине широкой распространённости красных карликов, в Млечном Пути их насчитывается около 160 миллиардов, количество таких планет в нашей галактике оценивается в несколько десятков миллиардов. В близости Солнца, на расстоянии ближе 10 пк (~32,6 св. г.), предполагается наличие около ста суперземель, с расположением в зоне жидкой воды^[18][19][20].

Планеты около красного карлика в фантастике

В научно-фантастическом романе «Создатель звёзд» Олафа Стэплдона одна из многих инопланетных цивилизаций в нашей галактике, которую он описывает, находится в районе терминатора планеты, захваченной приливными силами красного карлика. Эта планета населена интеллектуальными растениями, которые выглядят как морковь с руками, ногами и головой и которые спят часть времени в почве на земельных участках, поглощая свет путём фотосинтеза, и бодрствуют остальное время, выходя из своих участков и участвуют во всех сложных видах деятельности современной промышленной цивилизации. Стейплдон также описывает, как развивалась жизнь на этой планете^[21].

Действие романа Вернора Винджа «Глубина в небе» происходит на планете, вращающейся вокруг периодически меняющего свою яркость красного карлика. Так что периодически с падением яркости красного карлика вся планета промерзает с впадением всего живого в зимнюю спячку, а при увеличении яркости наступают «весна» и «лето».

Российский фантастический проект Мелиора^[22] повествует о жизни на планете, обращающейся вокруг красного карлика спектрального класса M5.

См. также

• Красный карлик
• Глизе 581 g
• Планеты, пригодные для возникновения жизни
• Астробиология
• Внеземная жизнь

Примечания

1. ↑ van Dokkum, Pieter G. & Conroy, Charlie. "A substantial population of low-mess stars in luminous elliptical galaxies. Nature. 2010 468(7326):940
2. ↑ «Discovery Triples Number of Stars in Universe» Yale University. Published December 1, 2010. Retrieved December 17, 2010, from http://www.sciencedaily.com/releases/2010/12/101201134158.htm
3. ↑ Brian Skiff of Lowell Observatory Messier 81 naked-eye. sci.astro.amateur (10 января 1997). Архивировано из первоисточника 11 июля 2012. Проверено 28 ноября 2009.
4. ↑ Habitable zones of stars. NASA Specialized Center of Research and Training in Exobiology. University of Southern California, San Diego.(недоступная ссылка — история) Проверено 11 мая 2007.
5. ↑ Merlis, T. M. and T. Schneider Atmospheric dynamics of Earth-like tidally locked aquaplanets J. Adv. Model. Earth Syst. (2010)
6. ↑ Joshi, M. M.; Haberle, R. M.; Reynolds, R. T. (October 1997). «Simulations of the Atmospheres of Synchronously Rotating Terrestrial Planets Orbiting M Dwarfs: Conditions for Atmospheric Collapse and the Implications for Habitability». Icarus 129 (2): 450—465. DOI:10.1006/icar.1997.5793. Проверено 2007-08-11.
7. ↑ Heath, Martin J.; Doyle, Laurance R.; Joshi, Manoj M.; Haberle, Robert M. (1999). «Habitability of Planets Around Red Dwarf Stars» (PDF). Origins of Life and Evolution of the Biosphere 29 (4): 405—424. DOI:10.1023/A:1006596718708. PMID 10472629. Проверено 2007-08-11.
8. ↑ ^{1 2 3} Nancy Y. Kiang (April, 2008). «The color of plants on other worlds». Scientific American. Проверено 2008-06-27.
9. ↑ Astroprof’s Page " Gliese 581d
10. ↑ Lewis Dartnell (April, 2010). «Meet the Alien Neighbours: Red Dwarf World (p.45)». Focus. Проверено 2010-03-29. (недоступная ссылка)
11. ↑ http://iopscience.iop.org/1538-4357/660/2/L149/pdf/1538-4357_660_2_L149.pdf
12. ↑ Croswell, Ken Red, willing and able (Full reprint). New Scientist (27 января 2001). Архивировано из первоисточника 11 марта 2012. Проверено 5 августа 2007.
13. ↑ Cain, Fraser; and Gay, Pamela AstronomyCast episode 40: American Astronomical Society Meeting, May 2007. Universe Today (2007). Архивировано из первоисточника 11 марта 2012. Проверено 17 июня 2007.
14. ↑ Khodachenko, Maxim L.; et al. (2007). «Coronal Mass Ejection (CME) Activity of Low Mass M Stars as An Important Factor for The Habitability of Terrestrial Exoplanets. I. CME Impact on Expected Magnetospheres of Earth-Like Exoplanets in Close-In Habitable Zones». Astrobiology 7 (1): 167—184. DOI:10.1089/ast.2006.0127. PMID 17407406.
15. ↑ University of Washington (January 13, 2003). 'The end of the world' has already begun, UW scientists say. Пресс-релиз. Проверено 2007-06-05.
16. ↑ M Dwarfs: The Search for Life is On, Interview with Todd Henry. Astrobiology Magazine (29 августа 2005). Архивировано из первоисточника 11 марта 2012. Проверено 5 августа 2007..
17. ↑ Steven S. Vogt, R. Paul Butler, E. J. Rivera, N. Haghighipour, Gregory W. Henry, and Michael H. Williamson. The Lick-Carnegie Exoplanet Survey: A 3.1 M⊕ Planet in the Habitable Zone of the Nearby M3V Star Gliese 581. The Astrophysical Journal, 2010;
18. ↑ Леонид Попов. Астрономы увеличили число пригодных для жизни планет  (рус.). Мембрана (29 марта 2012). Архивировано из первоисточника 9 августа 2012. Проверено 16 июля 2012.
19. ↑ Kirill Maslennikov, Xavier Bonfils, Richard Hook. Миллиарды скалистых планет в зонах обитания вокруг красных карликов Млечного Пути  (рус.). Европейская южная обсерватория (28 марта 2012). Архивировано из первоисточника 10 августа 2012. Проверено 16 июля 2012.
20. ↑ X. Bonfils, X. Delfosse, S. Udry et al. The HARPS search for southern extra-solar planets* XXXI. The M-dwarf sample (PDF 11,8 Мб) (англ.) // Astronomy and Astrophysics : рец. науч. журнал. — 2011. — Т. manuscript no. main. — С. 1—77. — ISSN 0004-6361.
21. ↑ Олаф Стэплдон Создатель звёзд 1937 Глава 7 «Ещё больше миров». Часть 3 «Люди-растения и другие»
22. ↑ Мелиора — официальный сайт

Литература

• Red Star Rising