не слишком холодными и не слишком горячими.
Возьмем один из множества примеров изменений в атмосфере. Мы знаем, что 3,5 миллиарда лет назад океаны Земли кишели колониями цианобактерий: того, что мы сейчас называем тиной. В те времена свободного кислорода в атмосфере практически не было, но цианобактерии выделяли кислород как побочный продукт фотосинтеза (точно так же, как нынешние растения). Сначала весь или почти весь кислород расходовался в ходе химических реакций, например, окисления или образования ржавчины на поверхности земной коры, но примерно 2,5 миллиарда лет назад его количество резко выросло – ученые называют это событие Великой кислородной катастрофой. Считается, что в ту эпоху множество обитателей нашей планеты, бывших на тот момент преимущественно анаэробными, погибло, задохнувшись выделенным ими же кислородом. Однако малая часть живых организмов сумела адаптироваться – они научились использовать кислород для дыхания и таким образом стали первыми предками людей и всех остальных животных, освоившими этот навык.
Заметим, что именно в это время на Земле образовались многие из крупнейших современных месторождений железа, например хребет Месаби в Миннесоте, – в изобилии высвободившийся кислород соединялся с железом, растворенным в воде океанов, а продукты окисления оседали на океанское дно, образуя богатые железом слои осадочных пород. Таким образом, вполне возможно, что металл, из которого сделан ваш автомобиль, образовался как раз во времена Великой кислородной катастрофы.
В 1978 году астрофизик Майкл Харт, на тот момент сотрудник университета Тринити в Техасе, опубликовал результаты компьютерного моделирования истории земной атмосферы. В его модели слабый приток тепла от юного Солнца усиливался парниковым эффектом, который создавали присутствовавшие атмосфере аммиак и метан (они, наряду с хорошо известным нам углекислым газом CO2, относятся к парниковым газам). Когда Солнце стало ярче, кислород, вырабатываемый живыми организмами, начал разрушать эти компоненты атмосферы, ослабляя парниковый эффект и тем самым компенсируя возросшую интенсивность солнечного излучения. В результате постепенно сформировалась наша сегодняшняя атмосфера, в которой парниковый эффект создает сочетание углекислого газа с водяным паром. В сущности, Земля прошла по тончайшей грани между возникновением неуправляемого парникового эффекта и окончательным оледенением.
Однако, с нашей точки зрения, наиболее интересная часть вычислений Харта – исследование того, что происходило бы с Землей, если бы она располагалась на другом расстоянии от Солнца. Согласно его модели, будь Земля на всего 1 процент дальше от Солнца или на 5 процентов ближе к нему, и хрупкое равновесие, которое позволило океанам пребывать в жидком состоянии, было бы нарушено. Таким образом, исследования развития и изменения атмосферы нашей планеты привели к пониманию того, что вокруг каждой звезды существует зона, внутри которой океаны на поверхности планеты могут пребывать в жидком состоянии на протяжении миллиардов лет. Эта полоса называется околозвездной зоной обитания (ОЗО) или обитаемой зоной. Идея о существовании обитаемой зоны стала одной из отправных точек в рассуждениях ученых о возможности жизни на экзопланетах.
Околозвездная зона обитания и собственно обитаемость
Первое, что стоит сказать о зоне обитания, – что она есть вокруг каждой звезды. Иначе говоря, вокруг любой звезды всегда найдется область с таким энергетическим балансом, при котором температура на поверхности планеты будет стабильно удерживаться между точками замерзания и кипения воды. У маленьких и тусклых звезд эта область невелика и смещена близко к звезде. Многие из известных экзопланет, находящихся внутри ОЗО своих звезд, ближе к материнским звездам, чем, например, Меркурий к Солнцу. Соответственно, у больших и ярких звезд ОЗО шире и смещена дальше от звезды. Кроме того, как мы уже отметили, энерговыделение звезд растет со временем, поэтому зоны обитания постепенно отодвигаются от материнских звезд по мере их старения. Здесь, однако, для нас важнее всего то, что, поскольку ОЗО есть у любой звезды, следует ожидать, что ряд планет сформируется именно в этих зонах чисто статистически.
Впрочем, еще мы должны добавить, что за последние 10–20 лет ученые осознали: изучение условий на самих планетах внутри ОЗО не может быть приравнено к простому расчету температурного баланса. Как отмечает астрофизик из Массачусетского технологического института Сара Сигер, нет никаких гарантий, что планета в зоне обитания на самом деле обитаема. Существует множество факторов, которые могут повлиять на возможность возникновения жизни внутри ОЗО.
Так как исследование экзопланет бурно развивается, поиски планет земного типа внутри зоны обитания стали для астрономического сообщества чем‐то вроде поисков Святого Грааля. Но мы уже понимаем, что расположение планеты в зоне обитаемости и собственно обитаемость планеты друг другу не тождественны. Например, в главах 6 и 7 мы уже говорили о мирах, находящихся вне зоны обитаемости своих звезд и не имеющих на поверхности океанов жидкой воды, – и все же на подобных планетах могла бы появиться жизнь и даже развитые цивилизации. Такие рассуждения привели ученых к гораздо более открытому взгляду на условия, необходимые для появления жизни.
Какая нужна звезда
Тип звезды, вокруг которой обращается планета, может очень сильно влиять на вероятность возникновения на ней жизни, даже если планета находится в ОЗО. Например, у красных карликов, маленьких и тусклых звезд, наиболее часто встречающихся в Млечном Пути, часто случаются периоды бурной активности. Яркие вспышки и мощные выбросы заряженных частиц всерьез затруднили бы процесс зарождения жизни на любой планете, в ОЗО или нет. Чтобы выжить в подобных условиях, организмам пришлось бы поселиться на дне океана или под землей. В этом случае расположение планеты в ОЗО или вне ее уже не играет большой роли.
Ученые понемногу расстаются с мыслью о том, что жизнь должна развиваться только на поверхности планет. Сейчас, например, многие склоняются к тезису о том, что живые организмы на Марсе будут обнаружены именно под поверхностью. И если жизнь действительно существует в подповерхностных океанах внешней Солнечной системы, на Европе и Энцеладе, она тоже по определению будет подповерхностной. Даже на Земле под поверхностью, вполне вероятно, существует больше биомассы, чем на ней. Таким образом, бурная активность малых звезд не обязательно должна сделать зарождение жизни невозможной, хотя наша современная наблюдательная техника присутствие такой жизни, скорее всего, зарегистрировать не сможет.
Более массивные звезды обеспечивают заметно более комфортный режим излучения – но и период их существования гораздо короче. В отдельных случаях срок жизни такой звезды – всего 30 миллионов лет. Вряд ли за такое короткое время на планете успеет развиться что‐то живое, кроме простейших микробов. К тому же заканчивают свою жизнь такие звезды грандиозным взрывом сверхновой, который полностью уничтожает все окружающие планеты. Получается, даже если бы в зоне обитания такой звезды и сумела зародиться жизнь, все свидетельства ее существования были бы полностью уничтожены при гибели звезды.
Именно вследствие этих ограничений охотники за экзопланетами сосредоточили свое
