Астрофизик Ларс Бучхаве из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете выступил с парадоксальным утверждением: жизни легче появиться у звёзд с низкой металличностью, а не с высокой, как у Солнца. Почему?

Всё больше и больше планет земного типа находят вокруг звёзд с низкой металличностью. И астрофизик Ларс Бучхаве из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете (Дания) выступил со вполне парадоксальным утверждением о том, что жизни легче появиться у звёзд с низкой металличностью, а не с высокой, как у Солнца. Почему?

Более того, из его концепции вытекает тот факт, что в ранней Вселенной, пока элементов тяжелее водорода и гелия было крайне мало (они, согласно консенсусу, ещё не наработались в недрах звёзд: просто не хватило времени), условия для возникновения жизни были даже благоприятнее, чем сегодня, когда любая формирующаяся звезда насыщена тяжёлыми элементами от взрывов близких сверхновых.

Как он пришёл к таким парадоксальным выводам? Напомним: десятилетиями считалось, что без такого же процента тяжёлых элементов, какой мы наблюдаем в нашем собственном Солнце, формирование планет у звезды невозможно. Ведь ядро любой настоящей планеты, включая газовые гиганты, сложено из тяжёлых элементов. Первое десятилетие после обнаружения экзопланет, казалось, лишь подтверждало эту мысль. Планеты — в основном «горячие Юпитеры» — находились чаще всего вокруг звёзд с металличностью Солнца и выше.


Планета HIP 13044b и звезда HIP 13044 возникли в древней галактике, позже съеденной Млечным Путём. Как видим, ни древность, ни низкая металличность не мешают наличию планет. (Иллюстрация ESO / L. Calçada.)

Потом, в 2009 году, НАСА запустило телескоп «Кеплер». Не то чтобы он искал планеты каким-то принципиально новым способом: его технические возможности лишь несколько превосходили предшественников. Однако «Кеплер» смог наблюдать сразу много звёзд, и со временем обнаружилось, что некоторые из планет вращаются вокруг звёзд с низкой металличностью. Хуже того: почти все планеты земного типа с твёрдой поверхностью («суперземли» и «мини-земли») почему-то находились именно вокруг бедных тяжёлыми элементами светил. Вот и цифры: из 2 321 кандидатов в экзопланеты, обнаруженных «Кеплером», более трети являются небольшими телами, сложенными из твёрдых пород. Юпитерообразных гигантов всего 11%, а остальные (более половины) размерами подобны Нептуну.

И тут же по астрономическим массам пробежала мысль: а не ошибались ли мы, полагая, что металличность не ниже солнечной есть conditio sine qua non? Да, у звёзд с высокой металличностью вероятность обнаружения газового гиганта намного выше, чем у бедных металлами. Но землеподобным планетам, как ни странно, нужно для формирования меньше тяжёлых элементов, чем газовым гигантам, состоящим в основном из лёгких элементов. Дело в том, что для эффективного накопления планетой водорода и гелия (Юпитер, Сатурн) ей, по современным взглядам, нужно сперва получить твёрдое ядро массой примерно вдесятеро больше Земли. До этого её гравитация будет слишком слабой, чтобы удержать такие волатильные элементы, как водород.

Ну а землеподобным планетам тяжёлых элементов для формирования требуется куда меньше — возможно, на порядок. Нет, какой-то нижний предел металличности, конечно, необходим, но, похоже, мы пока даже не представляем его значений. Лишь недавно открыты первые экзопланеты меньше Земли, да и то существующие методики позволяют сделать это только в том случае, если планеты вращаются близко к своим звёздам. Иными словами, может статься, что для планет размером с Марс (на порядок легче Земли) металличность нужна совсем низкая.

Более того, чем выше металличность, тем хуже могут быть условия для жизни на планетах вокруг той или иной звезды. «Горячие Юпитеры» дружно массивны. Большинство много больше нашего Юпитера. Сформироваться горячими рядом со свей звездой они не могли — следовательно, приблизились к ней, теряя угловой момент. Как? Ряд гипотез связывает это с имманентно присущими им свойствами: высокой массой и высоким же гравитационным взаимодействием с другими планетами. Если металличность велика, то изначально планетная система может быть перенаселена по сравнению с нашей Солнечной. Планеты будут близки друг другу, и газовые гиганты начнут взаимодействовать между собой и землеподобными телами посредством гравитационного резонанса по модели 1:2, например. В результате они «раскрутят» более лёгких соседей и придадут им скорость, что вышвырнет легковесов из их родной системы, пополнив многомиллиардное племя планет-бродяг. Ну а самая тяжёлая планета начнёт терять свой угловой момент, передав его энергию выброшенным изгоям. После этого, потеряв скорость движения по своей орбите, гигант будет по спирали сближаться со звездой. Здесь начнётся цепная реакция: по пути ему встретятся новые планеты, он будет взаимодействовать с ними по типу гравитационного резонанса... и всё повторится. В конце «должен остаться только один» — и именно так «горячие Юпитеры» оказываются на орбитах ближе меркурианской, предварительно отправив в бессрочный отпуск в межзвездье все планеты земного типа.

Вывод: чем выше металличность, тем больше шанс у такого сценария. Земля прошла в шаге от такой судьбы: Юпитер-то наш тоже родился дальше своего нынешнего места и попал сюда в результате гравитационного резонанса с какой-то планетой.

В то же время у звёзд с низкой металличностью вероятность таких пертурбаций, по мысли астронома, очень мала: у них почти нет шансов породить газовые гиганты.


К концепции г-на Бучхаве тоже есть вопросы: землеподобная Kepler 20e находится в системе, где, кроме неё, ещё три газовых гиганта, причём один из них находится даже ближе к местной звезде. Почему же не выкинуло Kepler 20e? (Илл. NASA, Ames, JPL–Caltech.)

Из этой гипотезы, хорошо укладывающейся в наблюдения «Кеплера», вытекает множество следствий. Из позитивного: представление о беспланетном прошлом Вселенной можно забыть. 8–11 млрд лет назад металличность уже была достаточной, чтобы породить землеподобные планеты. Возможно, даже 12 млрд лет тому назад она была приличной, полагает астроном, ведь нижний предел металличности нам пока неизвестен из-за технических трудностей обнаружения твёрдых планет меньше Земли.

Кроме того, звезды Галактики обогащены тяжёлыми элементами по убывающей. В галактическом центре, насыщенном сверхновыми, элементов тяжелее гелия больше всего, там они активнее всего нарабатываются предельно плотной звёздной популяцией. Поэтому раньше бытовало мнение, что там и планет больше, а на периферии, в спиральных рукавах, где живём мы, металличность ниже, то есть вероятность планетообразования меньше. Ничего, как выясняется, подобного. Наоборот: чем дальше звезда от центра Галактики, тем ниже шансы её землеподобных планет отправиться в длительное одинокое путешествие по космосу усилиями больших газовых братьев.

И о негативе. Если гипотеза г-на Бучхваве верна, то мысль, некогда высказанная Энрико Ферми в кафетерии, приобретает пугающую резкость. Если планеты земного типа могли образоваться более десятка миллиардов лет назад, то где их обитатели? Раньше оправдывались так: пока металличность не достигала порогового значения (Солнце), формирования планет не было, жизнь не образовывалась, разумная — тем более (гипотеза «точно вовремя»), а значит, разумная жизнь по всей Вселенной должна появляться более или менее одновременно. И если разум где и есть, то, как и мы, он ещё не вышел из своей звёздной системы и не способен на большее, чем сигнал «Вау»: оттого его так трудно обнаружить. А теперь кажется, что мы, в сравнении с «продвинутыми» цивилизациями, катастрофически опоздали, в буквальном смысле на миллиарды лет. Но где все эти сверхразвитые ВЦ? Впрочем, о некоторых ответах на эти вопросы мы уже писали.

Соответствующее исследование было опубликовано в журнале Nature, а представленные в нём тезисы были развиты и конкретизированы учёным на 220-й встрече Американского астрономического общества в Анкоридже.

Впрочем, вышеизложенная модель тоже не объясняет все факты. В 2010 году учёные из Института астрономии Общества Макса Планка (ФРГ) обнаружили газовый гигант около звезды HIP 13044, находящейся в 2 000 световых лет от нас и, предположительно, являющейся остатком старинной галактики, некогда поглощённой Млечным Путём. На момент открытия звезда оказалась самой древней и, соответственно, самой бедной тяжёлыми элементами изо всех известных. Откуда же у неё газовый гигант? Вы правы: всё попытались свести к исключению. Мол, орбита у гиганта неправильная. А может, он вообще пришлый (случайно захваченный бродяга)… Однако недавно была открыта звезда HIP 11952 (в 375 световых годах от Земли). Металличность этого светила, также жёлтого карлика, поставила очередной антирекорд — 1% от солнечной! Возраст же оценивается в 12,8 ± 2,6 млрд лет; иными словами, скорее всего, звезда родилась в первый же миллиард лет после Большого взрыва, а то и в первые несколько сот миллионов лет. У неё нашлось сразу два газовых гиганта, массой в 0,8 и 2,9 от юпитерианской. Следовательно, по большому счёту мы не можем быть уверены в том, что даже такая ничтожная металличность, в сотню раз меньше земной, была недостаточной для формирования газовых гигантов. А значит, тезис о малой угрозе землеподобным планетам от «большого брата» следует воспринимать сдержанно.

Наконец, свежие наблюдения группы астрономов во главе с Йоханом Финбо (Институт Нильса Бора при Копенгагенском университете) и вовсе внесли сумятицу в картину. Учёные использовали излучение квазара, проходящего через находившейся между ним и Землёй межзвёздный газ галактики. Выяснилось неожиданное: представления о бедности первоначальной Вселенной тяжёлыми элементами как минимум для этой удалённой галактики (которую мы видим после менее чем одного миллиарда лет от начала истории Вселенной) не вполне отвечают реалиям. Исследователям удалось «увидеть спектральные линии кислорода, серы, углерода и всех тех элементов, которые были синтезированы в этой галактике», сообщает г-н Финбо.

Хуже того: обнаруженное разнообразие тяжёлых элементов соответствовало тому, что мы видим у Солнца спустя 12 млрд лет накопления тяжёлых элементов в звёздных недрах! Казалось бы, откуда 12 млрд лет назад взялось всё это режущее глаз изобилие, когда химический состав галактик должен был быть предельно примитивным и сводиться к водороду и гелию? Что особенно интересно, свет квазара в данном случае пронизал не какое-нибудь галактическое ядро, где тяжёлых элементов обычно больше, а самую периферию далёкой галактики, в 52 000 световых годах от центра (практически на границе с межгалактическим пространством). Даже сегодня, 12 млрд лет спустя, наш Млечный Путь не демонстрирует такого разнообразия состава на своих окраинах.

«Чтобы «делать» планеты, — продолжает Йохан Финбо, — вам определённо нужны «металлы». И, кажется, это было возможно в галактиках, существовавших в очень ранние времена, что для нас стало сюрпризом».

Что всё это означает? Одно из двух: либо мы совсем неправильно представляем себе скорость термоядерных реакций и наработки тяжёлых элементов в недрах звёзд первого поколения и они могли дать больше тяжёлых элементов, чем мы имеем сейчас, и за очень короткое время (значительно меньше 10% истории Вселенной), либо... Собственно говоря, не прибегая к неортодоксальным теориям развития Вселенной, никакого «либо» обнаружить не удаётся. Разве что в рамках концепций класса теории Никодема Поплавски, где подпитка готовыми тяжёлыми элементами, конечно, вполне объяснима.Источник: Astrobiology Magazine