Ультрафиолетовое излучение ограничивает зону обитаемости при формировании планет

Умеренные уровни ультрафиолетового излучения могут быть необходимы для поддержания жизни на планетах

Область изучения экзопланет выросла экспоненциально за последние 20 лет. Благодаря таким миссиям, как Kepler, TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) и другим специализированным обсерваториям, астрономы подтвердили существование 5690 экзопланет в 4243 звёздных системах.

С таким количеством планет и систем, доступных для изучения, учёные были вынуждены пересмотреть многие ранее существовавшие представления о формировании и эволюции планет и о том, какие условия необходимы для жизни. В последнем случае учёные переосмыслили концепцию околосолнечной обитаемой зоны (CHZ).

По определению, CHZ — это область вокруг звезды, где вращающаяся вокруг неё планета будет поддерживать жидкую воду на своей поверхности. По мере эволюции звёзд их сияние и тепло будут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от их массы, изменяя границы CHZ.

Группа астрономов из Итальянского национального института астрофизики (INAF) рассмотрела, как эволюция звёзд влияет на их ультрафиолетовое излучение. Поскольку ультрафиолетовый свет, по-видимому, важен для возникновения жизни в том виде, в котором мы её знаем, они рассмотрели, как эволюция ультрафиолетовой обитаемой зоны звезды (UHZ) и её CHZ могут быть связаны.

Исследовательскую группу возглавил Риккардо Спинелли, исследователь INAF из Астрономической обсерватории Палермо. К нему присоединились астрономы из Национального института ядерной физики (INFN), Университета Инсубрии и Астрономической обсерватории Брера.

UHZ — это область вокруг звезды, где планета получает достаточно ультрафиолетового излучения, чтобы вызвать образование предшественников РНК, но не настолько, чтобы разрушить биомолекулы. «Эта зона в первую очередь зависит от ультрафиолетовой светимости звезды, которая со временем уменьшается. В результате этого ультрафиолетовая обитаемая зона находится дальше от звезды на ранних стадиях её эволюции и постепенно приближается к ней с течением времени», — Спинелли.

Как астрономам известно уже некоторое время, CHZ также подвержены эволюции из-за изменений в светимости и тепловом выходе звезды, которые увеличиваются или уменьшаются со временем в зависимости от массы светила. Рассмотрение взаимодействия этих двух обитаемых зон может пролить свет на то, какие экзопланеты с наибольшей вероятностью являются «потенциально пригодными для жизни» в известном виде.

Как объяснил Спинелли, «Мы до сих пор точно не знаем, как зародилась жизнь на Земле, но у нас есть некоторые подсказки, указывающие на то, что ультрафиолетовое излучение могло сыграть решающую роль. Экспериментальные исследования, такие как проведённое Полом Риммером и Джоном Сазерлендом в 2018 году, дают существенную информацию. В своем эксперименте Риммер и Сазерленд подвергли ионы цианистого водорода и сульфита водорода в воде воздействию УФ-излучения и обнаружили, что это эффективно запускает образование предшественников РНК. Без ультрафиолетового света та же смесь привела к инертному соединению, которое не могло образовать строительные блоки жизни. Кроме того, РНК демонстрирует устойчивость к повреждениям от ультрафиолетового излучения, что указывает на то, что она, вероятно, образовалась в среде, богатой ультрафиолетом. Оно было одним из самых распространённых источников химической энергии на ранней Земле, что позволяет предположить, что оно могло сыграть решающую роль в возникновении жизни».

Для своих целей Спинелли и его коллеги стремились определить, будут ли (и как долго) перекрываться зоны CHZ и UVZ, способствуя тем самым возникновению жизни. С этой целью команда проанализировала данные с телескопа NASA UVOT (Swift Ultraviolet/Optical Telescope), чтобы измерить текущую ультрафиолетовую светимость звёзд с экзопланетами, которые находятся в «классической» обитаемой зоне (Habitable Zone, HZ). Затем они изучили данные космического телескопа NASA GALEX (Galaxy Evolution Explorer), который наблюдает за галактиками на расстоянии до 10 миллиардов лет в ультрафиолетовом диапазоне. Из GALEX они включили то, как движущиеся группы молодых звёзд развиваются с точки зрения их ближней ультрафиолетовой светимости.

«Чтобы оценить эволюцию ультрафиолетовой обитаемой зоны во времени, мы использовали результаты, полученные Ричи-Йоуэллом и соавторами в работе 2023 года. В этой работе авторы вывели среднюю эволюцию ультрафиолетовой светимости для каждого типа звёзд. Мы реконструировали эволюцию ультрафиолетовой яркости звёзд, содержащих планеты в классической обитаемой зоне, путём объединения средней эволюции, полученной Ричи-Йоуэллом, и измерений, проведённых с помощью телескопа Swift», — сказал Спинелли.

Из этого они определили, что существует пересечение между эволюцией CHZ и UHZ. Эти результаты были особенно заметны для звёзд M-типа (красных карликов), где было обнаружено множество каменистых планет, вращающихся внутри их CHZ. Предыдущие исследования, включающие статью 2023 года Спинелли и многих из тех же коллег, предполагали, что M-карлики в настоящее время не получают ближнего ультрафиолетового излучения для поддержки пребиотической химии, необходимой для возникновения жизни. Однако их выводы в последней статье противоречат их предыдущим выводам.

Спинелли сказал: «Мы утверждаем, что при изучении эволюции светимости в ближней ультрафиолетовой области (NUV luminosity) у М-карликов большинство этих холодных звёзд действительно способны испускать достаточное количество фотонов NUV в течение первых 1–2 миллиардов лет своей жизни, чтобы инициировать формирование важных строительных блоков жизни. Результаты показывают, что условия для зарождения жизни (в соответствии с пребиотическим путём, который мы рассматриваем) могут быть или могли быть обычными в галактике. Пересечение между классической зоной обитаемости и ультрафиолетовой зоной обитаемости может существовать (или могло существовать) вокруг всех звёзд нашей выборки на разных стадиях их жизни, за исключением самых холодных М-карликов [температура менее 2800 К, в частности, Trappist-1 и звезда Teegarden]».

Хотя результаты могут немного разочаровать тех, кто надеется найти жизнь на некоторых из семи каменистых планет TRAPPIST-1, но сулит хорошие перспективы для других звёзд M-типа, в зонах их обитания которых есть каменистые планеты. Сюда входят ближайшая к Солнечной системе экзопланета (Проксима b), Ross 128 b, Luyten b, Gliese 667 Cc и Gliese 180 b, все из которых находятся в пределах 40 световых лет от Земли.

Эти результаты могут иметь важное значение для исследований экзопланет и астробиологии, которые в последние годы перешли от стадии открытия к стадии описания. Исследования в этом направлении получат большую пользу от телескопов следующего поколения, таких как космический телескоп «Нэнси Грейс Роман», а также наземных обсерваторий, которые позволят проводить исследования экзопланет методом прямой визуализации.