Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

В процессе развития на планете с вытянутой орбитой организмы могли бы впадать в спячку в периоды экстремально высоких и низких температур в течение года. Легче всего адаптировались бы к таким условиям обитатели океанов, так как в крупных водоемах температура меняется не так стремительно, как на суше. Различные формы жизни эволюционируют таким образом, чтобы пик их активности приходился на период нахождения планеты в зоне умеренных температур, а в неблагоприятных условиях уровень метаболизма снижался, обеспечивая выживание в продолжительные периоды бездействия в укрытии.

Формы жизни на Земле демонстрируют как раз такое защитное поведение. Например, бактерии способны выживать приблизительно в течение недели в условиях открытого космоса, тогда как микроорганизмам достаточно спрятаться за слоем горных пород толщиной несколько сантиметров, чтобы пережить падение метеорита. Конечно, выдержать испытания такого рода могут только крохотные организмы, но это и не удивительно — ведь Земля остается в зоне умеренных температур на протяжении всего года. Если бы она покидала ее, у жизни был бы стимул приспособиться к более суровым условиям, вызванным резкими переходами между сезонами. Само разнообразие жизни на Земле показывает, насколько трудно определить, где она заканчивается и где начинается.

Прочесывая небо в поисках оптимально подходящей для жизни планеты, мы пытались найти близнеца Земли. Разумеется, никто не станет отрицать, что наша планета отлично подходит для жизни, но действительно ли она является лучшим вариантом из всех возможных? Могут ли существовать планеты, с еще более благоприятными условиями для развития жизни — так называемые сверхпригодные для жизни миры?

Как это ни парадоксально, отправной точкой формирования сверхпригодных для жизни условий является та стадия в жизни планеты, при которой вы бы точно не захотели на ней оказаться. Земля изрезана следами непрерывной вулканической активности, атмосфера заполнена побочными результатами этой активности — сернистым газом и метаном; поверхность в отсутствие защитного озонового слоя выжигается ультрафиолетом, на нее выпадают осадки в виде красных и желтых частичек серы; моря красные из-за высокого содержания железа, и под всем этим — микробные формы жизни. Добро пожаловать на Землю, какой она была 2,3 млрд лет назад! Тогда наша планета стояла на пороге самого масштабного вымирания в своей истории.

Примерно за 200 млн лет до того в земных океанах появились сине-зеленые бактерии. С появлением этих микроорганизмов на нашей планете начался принципиально новый процесс — превращение углекислого газа и воды в сахара и кислород с помощью энергии солнечного света. Так на Земле появился фотосинтез.

Эти крошечные машины для фотосинтеза называют цианобактериями. На первых порах выделяемый ими кислород вступал в реакцию с вулканическими газами, что приводило к повторному формированию углекислого газа в сопровождении водяных паров, или — с железом в воде, заставляя его окисляться. Но последовавшее за этим бурное развитие цианобактерий привело к тому, что ресурсов для поглощения выделяемого ими кислорода на планете просто не осталось. Кислород хлынул в атмосферу, спровоцировав так называемую кислородную катастрофу — глобальное изменение ее состава.

К сожалению, основной формой жизни на молодой Земле были анаэробные бактерии, на которые кислород оказывает токсическое действие. Это привело к их массовой гибели. В результате огромный пласт жизни оказался стерт с лица Земли. Тем временем кислород в атмосфере начал вступать в реакцию с метаном, образуя еще больше углекислого газа и водяных паров. Хотя оба продукта реакции являются парниковыми газами, по количеству удерживаемого ими тепла они намного уступают метану. Уменьшение количества метана привело к снижению температуры, спровоцировав масштабное гуронское оледенение — древнейший из известных нам ледниковых периодов. Не исключено, что в тот момент оледенение затронуло всю поверхность нашей планеты, превратив ее в «Землю-снежок».

На первый взгляд, эта картина совсем не походит на начало формирования пригодной для жизни среды. Однако насыщение атмосферы Земли кислородом стало ключевым фактором, который сделал возможным развитие жизни. Благодаря обилию кислорода началось активное развитие аэробных организмов. В процессе их жизнедеятельности атмосфера превратилась в то, чем мы дышим сейчас. Однако для радикальной перестройки среды на планете, в результате которой она может стать пригодной для жизни, требуется очень много времени. Поэтому если мы хотим найти планету, на которой может существовать жизнь, мы должны в первую очередь обращать внимание на миры преклонного возраста. Они — главные кандидаты в планеты с сверхпригодными для жизни условиями.

С другой стороны, в случае с миром большего возраста возникает другая проблема — звезда. Приблизительно 3,5 млрд лет назад Земля находилась в центре зоны умеренных температур в Солнечной системе. По мере старения и увеличения светимости Солнца зона умеренных температур отодвигалась все дальше и дальше от него. В результате наша планета оказалась рядом с ее внутренней границей. Через 1,75 млрд лет Земля выйдет за пределы зоны умеренных температур. Подобно Венере, она превратится в безжизненную пустыню, на поверхности которой из-за высоких температур не сможет существовать вода. Поэтому можно предположить, что, если какая-то планета гораздо большего возраста, чем Земля, сейчас находится в зоне умеренных температур, значительную часть своей юности она должна была провести за ее внешней границей, а значит, на ее поверхности не могла развиться жизнь. Впрочем, и эту проблему можно было бы решить, если бы звезда была несколько иной.

В недрах менее массивных звезд процесс горения протекает не так быстро, как у их более тяжелых собратьев. Поэтому и живут они дольше. Зона умеренных температур вокруг таких медленно стареющих звезд смещается медленнее, чем в Солнечной системе. Но есть у небольших тусклых красных карликов ряд особенностей, препятствующих формированию на планетах вокруг них пригодной для жизни среды. Мы уже упоминали, что миры в окрестностях этих звезд рискуют попасть в приливный захват и захлебнуться в волнах губительной радиации, сводящей на нет любые преимущества неспешной эволюции в зоне умеренных температур. Возможен компромиссный вариант в виде оранжевого карлика — звезды крупнее красных карликов, но меньше нашего Солнца. Оранжевый карлик может светить приблизительно в два раза дольше Солнца, благодаря чему времени для достижения зрелости и формирования пригодных для жизни условий у планеты остается намного больше.

Медленное старение необходимо не только звезде. Для поддержания соответствующих условий на поверхности планеты в ее недрах должна продолжаться геологическая активность. Помимо излучения звезды, планеты согревает изнутри тепло, оставшееся со времени их формирования, а также радиоактивные элементы в мантии и коре. На Земле это тепло дает энергию вулканам и тектонической активности, которая сопровождается перемещением горных пород, обеспечивающим магнитное поле и углеродный цикл. Когда пламя в недрах нашей планеты погаснет, атмосфера перестанет получать углекислый газ в результате вулканических извержений. Количество парниковых газов уменьшится, и Земля замерзнет. Расплавленное железо в ядре нашей планеты затвердеет, после чего исчезнет защищающее нас магнитное поле, оставив атмосферу на растерзание солнечному ветру и вспышкам.