Область изучения экзопланет за последние двадцать лет выросла в геометрической прогрессии. Благодаря таким миссиям, как Kepler, Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) и другим специализированным обсерваториям, астрономы подтвердили существование 5690 экзопланет в 4243 звездных системах. При таком количестве планет и систем, доступных для изучения, ученым пришлось пересмотреть многие прежние представления о формировании и эволюции планет и о том, какие условия необходимы для жизни. В последнем случае ученые переосмыслили концепцию околосолнечной обитаемой зоны (CHZ).
По определению, CHZ — это область вокруг звезды, где вращающаяся планета будет достаточно теплой, чтобы поддерживать жидкую воду на своей поверхности. Поскольку звезды эволюционируют со временем, их излучение и тепло будут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от их массы, изменение границ CHZ. В недавнем исследовании группа астрономов из Итальянского национального института астрофизики (INAF) рассмотрела, как эволюция звезд влияет на их ультрафиолетовое излучение. Поскольку ультрафиолетовый свет, по-видимому, важен для возникновения жизни в том виде, в котором мы ее знаем, они рассмотрели, как эволюция ультрафиолетовой обитаемой зоны звезды (UHZ) и ее CHZ могут быть переплетены.
Исследовательскую группу возглавил Риккардо Спинелли, исследователь INAF из Палермской астрономической обсерватории. К нему присоединились астрономы из Национального института ядерной физики (INFN), Университета Инсубрии и Астрономической обсерватории Брера. Их статья «Временная эволюция ультрафиолетовой обитаемой зоны» недавно появилась в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: Буквы.
Как Спинелли рассказал Universe Today по электронной почте, UHZ — это кольцевая 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», — сказал он. «В результате этого ультрафиолетовая обитаемая зона находится дальше от звезды на ранних стадиях ее эволюции и постепенно приближается к ней с течением времени».
Как астрономы уже давно знают, CHZ также подвержены эволюции из-за изменений в светимости и тепловом выходе звезды, которые увеличиваются или уменьшаются со временем в зависимости от массы звезды. Рассмотрение взаимодействия этих двух обитаемых зон может пролить свет на то, какие экзопланеты с наибольшей вероятностью будут «потенциально пригодными для жизни» в том виде, в котором мы ее знаем. Как объяснил Спинелли:
«Мы до сих пор не знаем точно, как возникла жизнь на Земле, но у нас есть некоторые подсказки, указывающие на то, что ультрафиолетовое (УФ) излучение могло сыграть решающую роль. Экспериментальные исследования, такие как проведенное Полом Риммером и Джоном Сазерлендом в 2018 году, дают существенные сведения. В своем эксперименте Риммер и Сазерленд подвергли ионы цианистого водорода и сульфита водорода в воде воздействию УФ-излучения и обнаружили, что это воздействие 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. Действительно, ультрафиолетовое излучение было одним из самых распространенных источников химической энергии на поверхности ранней Земли, 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 CHZ и UVZ, тем самым способствуя возникновению жизни. С этой целью команда проанализировала данные с телескопа NASA Swift Ultraviolet/Optical Telescope (UVOT), чтобы измерить текущую ультрафиолетовую светимость звезд с экзопланетами, которые находятся в «классической» HZ. Затем они проконсультировались с данными с NASA Galaxy Evolution Explorer (GALEX), орбитального космического телескопа, который наблюдает за галактиками на расстоянии до 10 миллиардов лет в ультрафиолетовом диапазоне.
Из GALEX они включили то, как движущиеся группы молодых звезд развиваются с точки зрения их ближней ультрафиолетовой светимости. «Чтобы оценить эволюцию ультрафиолетовой обитаемой зоны во времени, мы использовали результаты, полученные Ричи-Йоуэллом и др. 2023 года», — сказал Спинелли. «В этой работе авторы вывели среднюю эволюцию ультрафиолетовой светимости для каждого типа звезд. В нашей работе мы реконструировали эволюцию ультрафиолетовой яркости звезд, содержащих планеты в классической обитаемой зоне, путем объединения средней эволюции, полученной Ричи-Йоуэллом и др. 2023 года, и измерений, проведенных с помощью телескопа Swift».
Из этого они определили, что существует перекрытие между эволюцией CHZ и UHZ. Эти результаты были особенно значимы для звезд M-типа (красные карлики), 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 звезды M-карликов в настоящее время не получают ближнего ультрафиолетового излучения для поддержки пребиотической химии, необходимой для возникновения жизни. Однако их выводы в этой последней статье противоречат их предыдущим выводам. Спинелли сказал:
«Мы утверждаем, что при изучении эволюции светимости NUV в М-карликах большинство этих холодных звезд действительно способны испускать соответствующее количество фотонов NUV в течение первых 1–2 миллиардов лет своей жизни, чтобы инициировать формирование важных строительных блоков жизни. Наши результаты показывают, что условия для зарождения жизни (в соответствии с конкретным пребиотическим путем, который мы рассматриваем) могут быть или могли быть обычными в Галактике. Действительно, в этой работе мы продемонстрировали, что пересечение между классической обитаемой зоной и ультрафиолетовой обитаемой зоной может существовать (или могло существовать) вокруг всех звезд нашей выборки на разных стадиях их жизни, за исключением самых холодных М-карликов (температура менее 2800 К, в частности, Trappist-1 и звезда Тигардена)».
Хотя они могут быть небольшим разочарованием для тех, кто надеется найти жизнь на некоторых из семи каменистых планет TRAPPIST-1, они сулят хорошие новости для других звезд M-типа, в HZ которых есть каменистые планеты. Сюда входит 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 значительные последствия для исследований экзопланет и астробиологии, которые в последние годы перешли от стадии открытия к стадии описания.
Эти области получат пользу от телескопов следующего поколения, таких как Уэбб, Космический телескоп Нэнси Грейс Романи наземные обсерватории, которые позволят проводить исследования экзопланет методом прямой визуализации.
Дальнейшее чтение: МНРАС
