Зона обитаемости — это область вокруг звезды, в которой у планет на поверхности может существовать жидкая вода. По умолчанию считается, что планеты с жидкой водой — лучшие места для поиска жизни, и астрономы сосредоточили свои исследования именно на этой зоне. Насколько мы можем судить, отсутствие воды означает отсутствие жизни.
Но новое исследование предлагает ещё одну границу в солнечных системах, которая может влиять на обитаемость: сажевую линию.
Несмотря на то, что Земля на 2/3 покрыта океанами, она всё ещё считается планетой, небогатой водой. По массе наша планета всего на 0,1% состоит из воды. Но, очевидно, что эта вода критически важна для жизни. Клетки не могут выполнять свои функции без воды.
Но углерод также имеет решающее значение для жизни, и земная жизнь называется углеродной. Углерод уникален своей способностью образовывать разнообразные соединения и формировать полимеры при земных температурах. Это второй по распространённости элемент в человеческом организме после кислорода.
Эта иллюстрация помогает показать, насколько важен углерод для всего живого. На Земле клеточные мембраны состоят из молекул фосфолипидов, растворённых в жидкой воде. Фосфолипид состоит из атомов углерода (серый), а также содержит водород (небесно-голубой), фосфор (жёлтый), кислород (красный) и азот (синий)
Но на самом деле Земля бедна углеродом, и только 0,024% коры планеты состоит из углерода. Это потому, что она сформировалась внутри сажевой линии Солнечной системы, где углерода меньше. Но что если сажевые экзопланеты, сформировавшиеся за пределами сажевой линии Солнечной системы, содержат значительно больше углерода? Как это может повлиять на обитаемость? Об этом и говорится в новой статье.
Художественное изображение суперземли 55 Cancri e на фоне её звезды. На этой экзопланете гораздо больше углерода, чем на Земле, хотя она слишком горячая для жизни
Новая работа называется «Содержание летучего углерода на экзопланетах как естественный путь для образования дымки» и опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters. Ведущий автор — Эдвин Бергин, профессор и заведующий кафедрой астрономии Мичиганского университета.
Что такое сажевая линия?
Поиск пригодных для жизни экзопланет сосредоточен на воде, а также на планетах, сформировавшихся аналогично нашей. Планеты формируются в протопланетных дисках, которые вращаются вокруг молодых звёзд, и эти звезды оказывают огромное влияние на природу материалов в диске, в том числе и на углерод. Солнечное тепло определяет местоположение различных линий замерзания на разных расстояниях от Солнца, и каждая линия замерзания имеет отношение к разным летучим веществам. За пределами определённой линии замерзания давление и температура заставляют конкретное летучее вещество оставаться твёрдым, в то время как внутри этой линии то же самое летучее вещество может сублимировать в пар.
Поскольку твёрдые вещества с большей вероятностью останутся и образуют планеты, внутри линии замерзания конкретного химического вещества будет меньше этого вещества в твёрдой форме, что сделает его менее доступным для формирования планет. Именно поэтому, или отчасти поэтому, на Земле так мало воды, в то время как дальше от Солнца замёрзшая вода присутствует в изобилии. Земля сформировалась внутри линии замерзания воды, и большая часть её воды, скорее всего, попала на её поверхность позже.
На этом изображении показано взаимное расположение линии инея [frost line] и линии сажи [soot line] в Солнечной системе
Линия сажи похожа на линию инея, но она касается критически важного для жизни углерода. Это расстояние от звезды, на котором недостаточно тепла для испарения углерода, и вместо этого углерод в молекулах остаётся твёрдым. Поскольку он твёрдый, он более доступен для формирования планет, поэтому планеты, формирующиеся за пределами линии сажи, должны быть более богаты углеродом, чем Земля.
Если бы Земля сформировалась внутри линии сажи, то тепло молодого Солнца превратило бы богатые углеродом соединения в газ, который гораздо легче рассеивается. Это означало, что в твёрдых телах, из которых образовалась Земля, было меньше углерода, поэтому в конечном итоге на Земле оказалось меньше углерода. С нашей точки зрения, всё логично.
Когда речь идёт о планетах, обитаемости и линиях замерзания, линии для воды и угарного газа (CO) имеют первостепенное значение для учёных, изучающих экзопланеты. Это потому, что учёные считают, что эти два соединения являются основными носителями кислорода и углерода, критически важных для жизни. Линия CO находится дальше от Солнца на десятки AU, чем линия воды, потому что CO замерзает при гораздо более низкой температуре. Это должно означать, что планеты, расположенные ближе к своим звёздам, такие как Земля, содержат меньше углерода.
Большая часть углерода содержится в СО, метане (CH4) и углекислом газе (CO2). Долгое время учёные работали именно с такой картиной. Но последние исследования показывают, что большая часть углерода переносится тугоплавкой органикой — материалами с очень высокой температурой сублимации. В новой работе эти тугоплавкие органические вещества названы «сажей».
Иллюстрация, показывающая одну из самых тёмных известных экзопланет — инопланетный мир, такой же чёрный, как свежий асфальт, — вращающийся вокруг звезды, подобной нашему Солнцу. Дневная сторона планеты, названной WASP-12b, поглощает свет, а не отражает его в космос. Астрономы считают, что низкое альбедо планеты обусловлено высоким содержанием углерода
Сажа может оставаться твёрдой при температуре до 500 °К. И у неё есть ещё одно важное свойство: при достижении температуры разрушения она распадается на более простые, летучие элементы. Это означает, что их испарение необратимо, и именно это приводит к появлению сажевой линии в протопланетном диске. Сажевая линия находится близко к звезде, и внутри её тугоплавкий углерод отсутствует, но за её пределами этот критически важный источник углерода доступен. Однако «уникальное свойство линии сажи, — объясняют авторы в своей статье, — заключается в том, что любой углерод, испарившийся в космос, остаётся в газообразной форме и не замерзает снова, как это происходит с парами вблизи привычных снеговых линий».
Таким образом, планеты, формирующиеся за пределами сажевой линии, могут быть богаты углеродом. Но планеты могут терять углерод ещё в процессе формирования. На ранних стадиях протопланетного диска температура может меняться, и это может отодвинуть линию сажи дальше от звезды. Низкий уровень содержания углерода на Земле может отражать тот факт, что Земля собрала большую часть своего материала на этом этапе.
Линия сажи привносит новые сложности в наше понимание и поиск потенциально пригодных для жизни экзопланет. Недавнее исследование показывает, что идея линии замерзания может быть слишком простой. Вместо этого исследователям нужно принять во внимание сажевую линию и попытаться понять характеристики богатых углеродом планет, которые могут формироваться за её пределами.
«Для бедной водой Земли линия водяного льда, или фронт сублимации льда, в пределах планетарного диска уже давно является ключевой, — пишут авторы в своей статье. — Мы предполагаем, что линия сажи, место, где происходит необратимое разрушение твердотельной органики, также является ключевым местом в диске. Линия сажи находится ближе к звезде-хозяину, чем линия водяного снега, и совпадает с расположением большинства обнаруженных экзопланет».
В области за пределами сажевой линии могут существовать планеты, содержащие больше углерода, чем Земля, и это поднимает вопросы о пригодности для обитания планет, формирующихся за пределами этой линии.
«Это добавляет новое измерение в наши поиски обитаемости. Оно может быть негативным, а может быть и позитивным, — сказал Бергин. — Это захватывающая идея, потому что она ведёт к бесконечным возможностям».
Как мы все узнали за последние несколько лет открытия экзопланет, наша Солнечная система не может служить примером типичной звёздной системы. В других системах мы видим планеты, расположенные гораздо ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу, и гораздо больше планет-гигантов, расположенных близко к своим звёздам. Они также содержат так называемые суперземли и/или мини-нептуны, которых нет в нашей системе.
«Это либо большие камни, либо маленькие газовые гиганты – и это наиболее распространённый тип планетарных систем. Так что, возможно, внутри всех этих других солнечных систем в галактике Млечный Путь существует популяция тел, которые мы не распознали раньше, и которые содержат гораздо больше углерода, — сказал Бергин. — Необходимо изучить вопрос того, что это означает для обитаемости».
В нашей системе нет богатой углеродом планеты, сформировавшейся между линией сажи и линией замерзания, но в других системах они могут быть. К сожалению, у нас нет возможности напрямую идентифицировать эти планеты с помощью современных технологий. Поэтому исследователи обратились к моделям формирования планет.
Углерод, дымка и пригодность для обитания
Когда команда исследователей работала с моделями формирования планет, внутри сажевой линии происходили странные вещи. Учёные смоделировали богатые силикатами миры (Земля богата силикатами) с 0,1% и 1,0% углерода по массе, которые формируются внутри сажевой линии, а также варьировали содержание воды. Они обнаружили, что газовыделение на этих планетах создаёт атмосферу, богатую метаном (CH4). В нашей Солнечной системе внутренние планеты бедны метаном, а внешние планеты богаты метаном, исключением является Земля. По сравнению со своими братьями и сёстрами из внутренней системы, Земля богата метаном.
Богатая метаном атмосфера образовывает дымку в результате взаимодействия с протонами Солнца. Мы можем наблюдать это на спутнике Сатурна, Титане, богатом метаном мире с жидким метаном на поверхности.
«Планеты, рождающиеся в пределах этой области, которая существует в каждой планетообразующей дисковой системе, будут выделять больше летучего углерода из своих мантий, — сказал Бергин. — Это может легко привести к естественному образованию дымки. Такие дымки наблюдались в атмосферах экзопланет и могут изменить представления о том, что мы считаем пригодными для жизни мирами».
На этой иллюстрации художника изображена VHS 1256b, экзопланета, находящаяся на расстоянии около 40 световых лет от нас. Уэбб обнаружил метан в её атмосфере в марте 2023 года
Дымка — признак того, что экзопланета содержит значительное количество летучего углерода в своей мантии. Поскольку углерод является основой жизни, его большое количество должно влиять на потенциальную пригодность планеты для обитания. Планеты с богатой углеродом дымкой, которые формируются между линией сажи и линией замерзания, могут представлять собой совершенно новый класс планет.
«Если это правда, то может существовать общий класс туманных планет с большим количеством летучего углерода, и необходимо изучить вопрос того, что это означает для обитаемости, — сказал он. — Но есть и другой аспект: что если у вас будет мир размером с Землю, где углерода больше, чем на Земле? Что это означает для обитаемости, для жизни? Мы не знаем, и это очень интересно».
Но как это исследование может повлиять на наше понимание экзопланет и поиск обитаемости?
Астрономы обнаружили планеты с такими характерными дымками. «Эти дымки вполне могут быть побочным продуктом рождения планет между сажевой и ледяной линиями», — пишут авторы. С появлением космического телескопа Уэбб учёные, изучающие экзопланеты, готовы углубить своё понимание этих дымок и того, что они могут означать для содержания углерода и пригодности для обитания».
«Такие дымки и метан, который способствует их образованию, можно обнаружить с помощью транзитной спектроскопии Уэбб, как показано здесь, особенно вокруг звёзд с меньшей массой (и, следовательно, размером), чем Солнце, — пишут авторы. — Таким образом, наличие или отсутствие дымки в атмосферах суперземель или субнептунов может позволить нам определить, образовались ли они на месте из местных материалов или ближе к снеговой линии, а затем мигрировали внутрь».
На этом цветном снимке Титана, сделанном космическим аппаратом «Кассини», видна густая, туманная атмосфера луны. Хотя атмосфера состоит в основном из азота, в ней также содержится около 2,7% метана, по сравнению с 0,00017% на Земле
Для планет размером с Землю астрономам всё ещё нужны лучшие модели эволюции. Бедная углеродом и водой Земля переполнена жизнью. Могут ли планеты с гораздо большим содержанием углерода, чем Земля, породить жизнь, отличную от нашей?
Известно, что существуют богатые углеродом экзопланеты. На WASP 12-b соотношение углерода к кислороду намного выше, чем на Земле. 55 Cancri e может состоять на треть из углерода по сравнению с 0,024% на Земле. Фактически, 55 Cancri e может быть примером теоретической углеродной планеты — планеты, в которой углерода больше, чем кислорода.
Астрономы будут продолжать находить больше планет с высоким содержанием углерода, да и вообще, они будут продолжать находить больше планет любого типа. Уэбб и другие будущие обсерватории станут ещё более искусными в расшифровке атмосфер экзопланет. Когда-нибудь астрономы получат данные и модели, необходимые для понимания роли углерода, сажевой линии, формирования планет и того, что это означает для их обитаемости.
Автор: Вячеслав Голованов
