Парадокс Марса и Меркурия. Новые данные объясняют, почему у соседей Земли ничего не вышло.

Насколько пригодна планета для жизни, зависит сразу от множества факторов. До сих пор, когда астрономы говорили о потенциально обитаемых мирах за пределами Солнечной системы, почти все внимание уделялось их положению в так называемой обитаемой зоне, или зоне Златовласки. Там температура на поверхности, по идее, позволяет существовать жидкой воде. Совсем недавно к этому добавилось изучение атмосфер экзопланет, но и здесь есть жесткие технические ограничения. Даже мощный космический телескоп Джеймса Уэбба в состоянии рассмотреть атмосферы только у сравнительно крупных и близких к нам планет.

В ближайшие десятилетия у астрономов появятся новые инструменты. Один из них, запланированная обсерватория Habitable Worlds Observatory, создается специально для поиска и изучения потенциально обитаемых миров. Возникает вопрос: что именно эти телескопы должны искать, на какие признаки обращать внимание. В новой работе, выложенной как препринт на arXiv, Бенджамин Фарси из Университета Мэриленда и его коллеги предлагают смотреть глубже и пытаться понять, как формировалась сама планета. От этого, по их мнению, напрямую зависят ее шансы когда-либо обзавестись сложной жизнью.

Конечно, никакой телескоп не может увидеть прошлое планеты в буквальном смысле, кроме того, насколько это диктует расстояние и скорость света. Но по текущим измеряемым параметрам можно восстановить черты ее ранней истории. Авторы работы выделяют несколько ключевых характеристик, которые закладываются еще на этапе формирования и затем сильно влияют на обитаемость.

Первая крупная тема - это общий химический состав. Речь идет в первую очередь о четырех элементах, которые дают около 93 процентов массы землеподобных планет: магнии, железе, кремнии и кислороде. Их соотношение определяет, будет ли на планете существовать плитовая тектоника, а она нужна для поддержания относительно стабильного климата в течение миллионов и миллиардов лет. Удобный момент в том, что приблизительный состав планеты можно оценить по составу ее звезды: и планета, и светило формируются из одного и того же облака вещества, значит, пропорции элементов в целом должны совпадать.

Второй важный фактор - содержание так называемых летучих веществ. В планетологии так называют элементы с низкой температурой конденсации, при которой хотя бы половина вещества переходит в газообразное состояние. В газовой фазе такие элементы легче уносит звездный ветер. Поэтому планеты, формирующиеся очень близко к звезде, как Меркурий, оказываются почти лишены летучих компонентов. А миры, рождающиеся дальше, как Марс, наоборот, богаты ими. Летучие элементы вроде углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы - известный набор CHNOPS - это базовые кирпичики для любой известной нам жизни. Их доступность на поверхности планеты в большой степени определяет, смогут ли здесь возникнуть и развиваться живые организмы.

Дальше в игру вступает еще один фактор, который тесно связан с летучими веществами и при этом сильно влияет на обитаемость. Речь идет о кислороде. Именно его количество на ранних стадиях формирования планеты задает величину, которую геофизики называют кислородной фугитивностью, условный параметр, описывающий, насколько среда окислительная или восстановительная. Это, в свою очередь, оказывает критическое влияние на третий фактор - размер планетного ядра.

Все сводится к балансу между чистым железом и его оксидом, ржавчиной. Металлическое железо стремится опуститься в центр и наращивает ядро, а железо в виде оксида остается в мантии, уменьшая долю ядра. От размера ядра зависит многое. Прежде всего - наличие и сила магнитного поля. Большое жидкое металлическое ядро работает как гигантский динамо-механизм, создающий мощное магнитное поле. Оно защищает атмосферу и поверхность от потока заряженных частиц и жесткого излучения звезды. Если ядро маленькое и поле слабое, звездный ветер может за миллиарды лет просто сдуть атмосферу и оставить мир голой обожженной пустыней.

На этом фоне летучие вещества и кислород формируют своеобразную новую "зону Златовласки". Планета должна иметь достаточно мало летучих элементов, чтобы в недрах сформировалось крупное металлическое ядро и запустился геодинамо эффект, но при этом достаточно много летучих веществ, чтобы после стабилизации планеты остался материал для развития жизни. Если летучих слишком мало, получается сценарий Меркурия, где ядро занимает около 85 процентов радиуса, магнитное поле сильное, но поверхность представляет собой безжизненную каменистую пустыню. Если их слишком много, возникает ситуация, похожая на Марс. Он богат летучими веществами, но имеет небольшое ядро и слабое магнитное поле, которое давно не защищает поверхность, из-за чего планета тоже превратилась в холодный, тонко окутанный атмосферой пустынный мир.

Земля в этой картине оказывается как раз посередине. У нее достаточно большой металлический сердечник, чтобы создавать мощное магнитное поле, и при этом сохранилось достаточно летучих элементов, чтобы сформировать океаны, атмосферу и сложную биосферу, которая существует уже миллиарды лет.

Еще один фактор, который нужно учитывать очень рано, - внутренний "тепловой двигатель" планеты. Внутреннее тепло может поддерживаться двумя основными способами. Либо за счет радиоактивного распада тяжелых элементов в недрах, либо за счет приливного нагрева, когда сильное гравитационное воздействие со стороны звезды или крупного спутника постоянно деформирует и разогревает планету. В нашей Солнечной системе приливный нагрев хорошо заметен, например, на спутниках Юпитера.

Радиоактивное нагревание мантии в основном обеспечивают три элемента: калий, торий и уран. Хорошая новость в том, что по спектру звезды можно оценить содержание хотя бы двух из них. Уран напрямую увидеть сложнее, но астрономы используют европий как его прокси, потому что эти элементы формируются в схожих ядерных процессах и их относительные количества обычно связаны. Таким образом, по спектру светила можно примерно понять, насколько сильно "топится" внутренний котел его планет.

Habitable Worlds Observatory, когда заработает, как раз будет способна собрать ключевую информацию о трех таких факторах. Она сможет с высокой точностью измерить спектр звезды, а значит, оценить запасы летучих веществ и радиоактивных элементов, из которых формировались планеты. Она сможет обнаруживать признаки магнитного поля у самих экзопланет с помощью спектрополяриметрии, наблюдая, как поляризация света меняется под действием этого поля. И она сможет разглядеть в атмосферах следы "дыхания вулканов" - газы вроде диоксида серы и сероводорода, которые указывают на активный вулканизм и, соответственно, существование тектоники плит.

Комбинация всех этих данных дает гораздо более полную картину, чем простой учет расстояния до звезды. Вместо того чтобы спрашивать только "входит ли планета в обитаемую зону по температуре", ученые смогут спрашивать "есть ли у нее правильный состав, достаточно ли сильное магнитное поле, работает ли ее внутренний тепловой двигатель". Такой подход делает оценку обитаемости намного реалистичнее.

Правда, за по-настоящему подробным взглядом на истории далеких миров придется подождать. Запуск Habitable Worlds Observatory сейчас планируется на 2040-е годы, и, если судить по опыту прошлых крупных обсерваторий, этот график еще может сдвинуться. Зато у ученых и инженеров есть время тщательно продумать, какие именно параметры нужно измерять и какие сценарии формирования планет учитывать. Когда новый телескоп наконец отправится в космос, он уже будет знать, на какие признаки обращать внимание в поисках миров, где кто-то, возможно, тоже задается вопросом о своем месте во Вселенной.