Землеподобные планеты могли бы формироваться чаще, если бы их протосолнечные системы «купались» в космических лучах от сверхновых

Новая научная работа, опубликованная в журнале Science Advances, предлагает обновлённую картину формирования землеподобных планет — планет, похожих на Землю по массе и вероятности иметь твердую поверхность. Согласно авторам исследования, ранние протопланетные диски, окружающие молодые звезды, могли быть обогащены короткоживущими радиоактивными изотопами благодаря воздействию космических лучей от близких взрывов сверхновых, что обеспечило условия, способствующие формированию планет с характеристиками, похожими на Землю.

Что такое «космическое купание» и почему оно важно

Земля относится к террестриальным (землеподобным) планетам — это планеты с каменистой поверхностью, массой, достаточной для удержания атмосферы, и температурой, при которой может существовать жидкая вода. Ключевым фактором раннего формирования таких планет был тепловой вклад от распада радиоактивных изотопов, особенно тех, которые имеют короткие периоды полураспада (менее 5 млн лет). Примеры таких изотопов включают алюминий-26 и титан-44, следы которых астрономы находят в метеоритах, формировавшихся в ранней Солнечной системе.

Однако традиционные модели формирования планет сталкиваются с двумя проблемами:

• источники короткоживущих радиоизотопов обычно находятся в взрывах сверхновых, которые могут разрушить сам протопланетный диск,
• и при отсутствии достаточного количества таких изотопов протосолнечный диск не получал бы достаточно тепла для правильной химической и динамической эволюции, необходимой для формирования планет с условиями, близкими к земным.

Новое исследование показывает, что вместо прямого удара ударной волной сверхновой диск мог быть интенсивно облучён космическими лучами от взрыва, произошедшего на расстоянии порядка одного парсека (примерно 3,26 световых года). Такие высокоэнергетические частицы могут проникать в диск и вызывать нуклеосинтез внутри газа и пыли, создавая радиоактивные изотопы внутри самого диска без разрушения его структуры.

Как космические лучи формируют радиоизотопы

Космические лучи — это частицы с высокими энергиями, ускоренные в экстремальных астрофизических процессах, включая взрывы сверхновых. После выброса в межзвёздное пространство такие частицы распространяются на значительные расстояния и могут взаимодействовать с материалом протопланетного диска. При таких взаимодействиях внутри газа и пыли образуются короткоживущие радиоактивные изотопы, которые затем распадаются, выделяя тепло.

Тепло, возникающее при распаде этих изотопов, способствовало:

• нагреву внутренней части протопланетного диска,
• предотвращению избыточного захвата лёгких элементов (например, водорода и гелия),
• поддержанию температурных условий, благоприятных для формирования каменистых, а не газовых планет,
• формированию химических условий, подобных тем, которые были в ранней Солнечной системе.

Этот механизм предлагает объяснение того, почему на Земле и других землеподобных планетах нашей Солнечной системы наблюдаются изотопные следы, соответствующие наличию именно таких короткоживущих радиоактивных элементов.

Вероятность событий типа «сверхновая рядом»

Звездообразование у звёзд, подобных Солнцу, обычно происходит в звёздных скоплениях, где вероятно существование массивных звёзд, завершающих свою жизнь в виде сверхновых. Авторы исследования отметили, что вероятность того, что протозвезда такого скопления переживала массивный взрыв на расстоянии порядка одного парсека, достаточно высока, чтобы считать такой сценарий обычным для большинства звёздных систем.

Если подобные события действительно были частыми, это означает, что услoviя, необходимые для образования землеподобных планет, могли возникать во многих системах нашей галактики — не только в Солнечной. Суперновые в пределах нескольких парсек могут обеспечить «космическое купание» протопланетных дисков, наполняя их радиоактивными элементами, которые формируют траектории формирования твёрдых планет.

Что это означает для распространённости землеподобных планет

Ранее считалось, что образование землеподобных планет должно было требовать очень специфических условий, включая точное расположение источников радиоактивных изотопов. Новая модель показывает, что даже без прямого воздействия ударных волн сверхновых протопланетный диск мог быть обогащён космическими лучами, что делает такие условия гораздо более распространёнными в галактике.

Такой подход меняет популярные представления о развитии планетных систем:

• он объясняет, как в ранней Солнечной системе образовались изотопные следы, наблюдаемые в метеоритах,
• показывает, что условия для формирования каменистых планет с атмосферой могли возникать во многих системах с похожей историей звездообразования,
• и предполагает, что вероятность наличия землеподобных планет в галактике может быть выше, чем считалось ранее.

Важные научные выводы

1. Протопланетные диски могли быть обогащены радиоактивными элементами не через прямые столкновения с ударными волнами сверхновых, а через длительное воздействие космических лучей на расстоянии. Это уменьшает риск разрушения диска при обогащении и делает механизм более реалистичным.
2. Такой процесс мог происходить регулярно в областях с активным звездообразованием, где плотность массивных звёзд достаточно велика.
3. Землеподобные планеты, подобные нашей, могли формироваться в большем числе систем, чем ранее предполагалось, поскольку «купание» в космических лучах могло быть обычным явлением для многих молодых звёзд.

Контекст современной астрономии

Понимание факторов, влияющих на формирование землеподобных планет, — ключ к оценке распространённости потенциально обитаемых миров в галактике. Помимо радиационных и термических условий внутри протопланетного диска, формы и магнитные поля планет также влияют на их эволюцию, включая защиту от космических лучей и сохранение атмосферы. Теоретические исследования показывают, что сильное магнитное поле и плотная атмосфера могут уменьшать воздействие космических лучей на поверхность планеты, но детали этих процессов зависят от множества факторов, включая яркость родительской звезды и орбитальную дистанцию планеты.

Вывод

Новое исследование демонстрирует, что обогащение радиоактивными изотопами протопланетных дисков через космические лучи сверхновых — реистичный и распространённый процесс, который может иметь решающее значение для формирования землеподобных планет. Это усиливает уверенность в том, что каменистые миры, подобные Земле, могут быть гораздо обычнее во Вселенной, чем считалось ранее.

Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com