Современные астрономы всё активнее изучают экзопланеты — миры за пределами Солнечной системы, и одной из ключевых задач становится поиск условий, благоприятных для возникновения сложной (многоклеточной) жизни. Однако недавнее исследование показывает, что во многих системах вокруг самых многочисленных звёзд нашей галактики такие условия могут не сформироваться вообще. Это касается планет, вращающихся вокруг так называемых красных карликов-M-звёзд, которые составляют большую часть звёздного населения Млечного Пути.
Почему красные карлики считались перспективными
Звёзды спектрального типа M (красные карлики) намного меньше и холоднее, чем Солнце, но именно вокруг них астрономы находят огромное количество планет размером близких к Земле. Такие миры часто находятся в той части системы, где температура теоретически позволяет существовать жидкой воде на поверхности — так называемой обитаемой зоне. Поскольку эти звёзды распространены значительно чаще, чем солнцеподобные, они долгое время рассматривались как перспективные места для поиска жизни.
Фотосинтез — ключевой процесс для сложной жизни
На Земле фотосинтез является фундаментальным биологическим механизмом, который позволяет растениям, водорослям и многим микробам использовать энергию света для преобразования углекислого газа в органические соединения и выделять кислород (O₂) как побочный продукт. В течение примерно 2,3 млрд лет после формирования планеты фотосинтез逐渐 привёл к значительному накоплению кислорода в атмосфере Земли — процессу, известному как Великая Окислительная Событие. Высокие концентрации свободного кислорода стали необходимым условием для возникновения и устойчивого существования многоклеточных животных.
Фотосинтез на Земле наиболее эффективен в диапазоне видимого света примерно от 400 до 700 нанометров — так называемый диапазон фотосинтетически активного излучения (PAR). Этот спектр обеспечивает достаточно энергии для фотосинтеза, который воздействует на скорость производства кислорода в биосфере.
Что мешает сложной жизни вокруг красных карликов
Новое исследование, проведённое группой астрономов из San Diego State University и размещённое в открытом доступе на arXiv, анализирует влияние спектрального излучения красных карликов на фотосинтез и накопление кислорода на планетах, вращающихся вокруг них. Учёные сравнили спектры излучения, получаемые от красных карликов, со спектром Солнца и расчётно моделировали процессы фотосинтеза с участием бактерий, аналогичных земным.
Главный вывод исследования заключается в том, что свет красных карликов содержит крайне мало фотосинтетически активных фотонов в диапазоне PAR. Это означает, что даже если на экзопланете существовали бы живые организмы, способные осуществлять фотосинтез, количество энергии, доступной для них излучением от красных карликов, было бы слишком мало для быстрого накопления кислорода в атмосфере.
Что показывают расчёты
Учёные использовали модели атмосферных фотосинтетических реакций и спектры звёздного света, включая пример TRAPPIST-1e — планеты размером приблизительно с Землю, вращающейся вокруг красного карлика TRAPPIST-1. В своих расчётах они оценили плотность фотонов в диапазоне PAR для Земли, древней земной атмосферы (примерно 2,65 млрд лет назад) и экзопланеты TRAPPIST-1e. Анализ показал:
- при нынешнем спектре TRAPPIST-1e количество фотосинтетически активной энергии крайне низкое;
- если процесс фотосинтеза на подобных планетах соответствовал бы земным аналогам, накапливание кислорода до уровней, наблюдаемых на Земле, потребовало бы десятки миллиардов лет;
- даже при оптимистичных допущениях об адаптации бактерий к спектру красного карлика и расширенном PAR (вплоть до инфракрасных длин волн), время достижения уровней кислорода, сравнимых с Землёй, превышает 10 млрд лет.
Почему это важно для эволюции сложной жизни
В ходе своей истории Земля прошла несколько этапов, прямо связанных с наличием светового излучения и геохимией атмосферы. Накопление кислорода в атмосфере стало фундаментальным фактором, позволившим развиться разнообразным многоклеточным организмам, включая растения и животных. Без достаточного уровня свободного кислорода организмы с более сложной структурой клеток, энергозависимые системы и большие метаболические сети вряд ли могли бы сформироваться и существовать стабильно.
Если на планетах, вращающихся около красных карликов, фотофотосинтез идёт крайне медленно или неэффективно в силу отсутствия светового спектра, богатого PAR, то рост содержания кислорода, считающийся важным для сложных форм жизни, может никогда не произойти или происходить чрезвычайно медленно. Это накладывает существенные ограничения на возможность появления сложных аэробных организмов на таких планетах.
Что остаётся возможным
Несмотря на полученные результаты, исследователи подчёркивают, что выводы не означают абсолютный запрет на существование жизни во Вселенной. Скорее, с учётом спектра излучения красных карликов можно ожидать, что простые формы жизни, например микробы, могли бы существовать, используя альтернативные метаболические пути, не зависящие от земного фотосинтеза.
Кроме того, для сложной жизни более благоприятными кандидатами остаются планеты, вращающиеся вокруг звёзд, подобных Солнцу (жёлтые карлики) или даже более горячих типов, где спектр света лучше подходит для фотосинтеза и более быстрой аккумуляции кислорода. Эти типы звёзд также обеспечивают более стабильное излучение в диапазоне PAR в течение миллиардов лет — критический фактор для длительной биоэволюции.
Влияние на поиски жизни за пределами Земли
Результаты этого исследования имеют прямые последствия для стратегий поиска жизни на экзопланетах. Поскольку красные карлики являются доминирующим классом звёзд в галактике, это означает, что целевые системы, удобные для текущих наблюдений, могут оказаться менее перспективными для поиска сложной жизни, чем предполагалось ранее.
Сфокусировав внимание на звёздах типа G или F (похожие или более массивные, чем Солнце), астрономы могут увеличивать шансы обнаружить атмосферы, обогащённые свободным кислородом или другими биосигнатурами, что само по себе является ключевым признаком возможной биосферной активности высоких уровней сложности.
Обоснование выводов
Исследование основывается на сопоставлении спектров излучения различных типов звёзд и моделировании фотосинтетической эффективности в зависимости от доступного фотонного потока в диапазоне PAR. Эти модели включают земные метаболические процессы и адаптации, которые серьёзно зависят от спектрального состава света.
Вывод
Новое исследование ставит под сомнение оптимизм в отношении возможности распространения сложной жизни вокруг самых многочисленных звёзд в галактике. По текущим моделям условия, необходимые для фотосинтеза, ведущего к накоплению кислорода, крайне затруднены у планет, вращающихся вокруг красных карликов, которые излучают преимущественно инфракрасный свет. Это означает, что развитие многоклеточных форм жизни на таких мирах маловероятно или занимает чрезвычайно много времени.
Тем не менее, у планет вокруг более горячих и ярких звёзд остаются реальные шансы поддерживать процессы, аналогичные земному фотосинтезу, и, возможно, более сложную биосферу.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
