Quanta magazine: решение парадокса тусклого солнца позволяет нам понять почему появилась жизнь на нашей планете

Когда Солнце было на 30% тусклее, Земля должна была замерзнуть. Тем не менее, вода сохраняла жидкую форму, жизнь существовала. Решение парадокса показывает, что мы можем быть обязаны этому тусклому солнцу существованию жизни. А значит для тех, кто ищет жизнь за пределами Солнечной системы есть безрадостные новости

Автор: Джонатан О’Каллаган

Наше солнце становится все ярче. Если бы мы могли перенестись в прошлое, на зарю Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад, то обнаружили бы звезду, которая была примерно на 30% тусклее, чем сейчас. В последующие эпохи она светила все ярче и ярче — функция процесса ядерного синтеза, происходящего в ядрах звезд, подобных нашей, — и будет продолжать это делать до конца своей жизни, примерно ещё 5 миллиардов лет.

Первоначальное тусклое солнце должно было привести к катастрофе здесь, на Земле. Если бы наша современная Земля оказалась под этим светилом, средняя температура на поверхности составила бы около -7 градусов по Цельсию — слишком холодно для течения жидкой воды. «Планета должна была бы полностью замерзнуть» — говорит Тоби Тиррелл, специалист по планетарным системам из университета Саутгемптона. «На ней не развилась бы жизнь».

И все же это произошло. Мы знаем, что на поверхности нашей планеты жидкая вода появилась 4,4 миллиарда лет назад, а может быть, и раньше, когда водяной пар сконденсировался из атмосферы. Вскоре после этого, по-видимому, возникла одноклеточная жизнь. И вода на планете, и жизнь на ней сохранились — несмотря на несколько проблем — и в результате сформировали оазис, в котором мы живем сегодня.

Если Солнце было столь тусклым, как это получилось?

Парадокс тусклого молодого солнца, как известно, не давал покоя ученым на протяжении десятилетий. Но последние работы привели многих исследователей к мысли о том, что теперь у нас есть твердая позиция в отношении этой проблемы. Старые идеи были уточнены, а новые — в том числе одна из них, связанная с подозрительно близкой луной, которая создает приливные волны размером с небоскреб, — помогли заполнить немногие оставшиеся пробелы в нашем понимании.

Ученые также осознали, что парадокс тусклого молодого солнца имеет важные последствия не только для Земли, но и для нашего понимания того, как вообще могла возникнуть жизнь. Неужели наш мир, даже в его оптимальном расположении вокруг относительно спокойной звезды, смог породить жизнь лишь благодаря случайности? Что это может означать для перспектив возникновения жизни в других местах? «Это действительно фундаментальный вопрос, касающийся обитаемости Земли на протяжении всей ее истории, — говорит Бенджамин Шарней, планетарный ученый из Парижской обсерватории, — и он имеет серьезные последствия для вопроса обитаемости экзопланет».

Исследуя проблемы тусклого молодого солнца, мы изучили историю нашего мира как никогда раньше. При этом мы обнаруживаем, что то, что когда-то было парадоксом, на самом деле может раскрыть саму причину нашего существования.

Парадокс

В середине 20-го века ученые начали понимать механику, которая движет эволюцией звезд, подобных нашему Солнцу. В глубине ядра звезды водород превращается в гелий, производя энергию. Когда количество водорода уменьшается, ядро сжимается, что, в свою очередь, увеличивает скорость синтеза. Со временем звезда становится ярче.

В 1958 году немецко-американский астрофизик Мартин Шварцшильд и британский астроном Фред Хойл, используя эти знания, пришли к одному и тому же выводу: «когда наше Солнце только сформировалось, его светимость составляла лишь около 70% от той, которую оно имеет сейчас. Самые первые модели звездной эволюции предсказывали это» — говорит Джеймс Кастинг, геофизик из Университета штата Пенсильвания. Однако в 1960-х годах ученые начали находить свидетельства существования воды на Земле на протяжении 4 миллиардов лет. Это противоречило солнечным моделям; Земля не должна была быть достаточно теплой под слабым молодым Солнцем, чтобы иметь жидкую воду. В одной из работ 1965 года, пытаясь разрешить это противоречие, было высказано предположение, что либо Солнце старше, чем мы думали, либо модель эволюции нашего Солнца «может потребовать некоторой модификации, чтобы допустить более высокие светимости».

Американские астрономы Карл Саган и Джордж Маллен предприняли более серьезную попытку разрешить парадокс в 1972 году, проведя первый детальный анализ проблемы тусклого молодого солнца. Они предположили, что более плотная атмосфера на ранней Земле могла удерживать больше тепла, сохраняя планету достаточно теплой, чтобы поддерживать жидкую воду. В качестве парникового газа они предложили аммиак.

Однако аммиак недолго оставался потенциальным решением парадокса. «Он разрушается под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения» — отмечает Георг Фойльнер, исследователь климата из Потсдамского института исследования воздействия на климат. «Позже люди поняли, что это просто не работает». В конце 1970-х годов ученые обратились к другому парниковому газу — двуокиси углерода — как к возможному решению. «Углекислый газ гораздо менее проблематичен» — говорит Фойлнер. «В земной системе на ранних этапах было много углерода, поэтому вполне разумно предположить, что в атмосфере может образоваться значительное количество углекислого газа».

Кастинг и его коллеги исследовали возможные эффекты углекислого газа в 1981 году, отметив, что вулканы могли выбросить его достаточно, дабы преодолеть проблему тусклого молодого Солнца. Даже если бы Земле удалось замерзнуть — что, судя по всему, произошло по меньшей мере в трех случаях — вулканы, пробивающиеся вершинами сквозь лед, могли бы обратить этот процесс вспять. «Возникающий в результате этого большой парниковый эффект должен растопить ледяной покров за геологически короткий период времени» — пишут Кастинг и его коллеги.

Но доказательства этой гипотезы было крайне трудно найти — мы не можем просто взять образец атмосферы 4 миллиарда лет назад. В отсутствие геологических подтверждений появились другие возможности. Возможно, высокий уровень углекислого газа уменьшил количество отражающих низких облаков, которые отражали солнечный свет обратно в космос. Или, возможно, в далеком прошлом Солнце было более массивным, что противодействовало уменьшению процесса синтеза в его ядре. «Если увеличить массу Солнца на 5%, то Солнце изначально будет таким же ярким, как сейчас, и у нас вообще не будет проблемы тусклого молодого Солнца» — говорит Пит Мартенс из Университета штата Джорджия. Однако большинство исследователей относятся к этой идее скептически.

Решение проблемы тусклого молодого солнца требует лучшего понимания самых ранних периодов Земли: хадейского эона, который длился от 4,6 млрд до 4 млрд лет назад, и последующего архейского эона, закончившегося 2,5 млрд лет назад. Ученым необходимо было выяснить, когда впервые возникли вода и жизнь, а также получить представление о ранней атмосфере Земли. К счастью, ответы были не за горами.

Вода, вода, вода, повсюду

На заре хадейского периода в молодую прото-Землю врезался объект размером как минимум с Марс, а возможно, и в два раза больше. В результате столкновения образовалась Луна и, по сути, хронология нашей планеты обнулилась. Вероятно, в результате этого столкновения температура на Земле резко возросла, и планету охватил огромный океан магмы.

Этот океан магмы мог остыть всего за несколько десятков миллионов лет, что позволило сформироваться более узнаваемой нами планете. Доказательством этому служат крошечные кристаллы, называемые цирконами.

«Цирконы — самые старые из известных земных твердых тел на нашей планете сегодня» — говорит Дастин Трейл, ученый-землевед из Рочестерского университета, опубликовавший работу об их свойствах в 2018 году. «Их возраст составляет 4,4 миллиарда лет». Изучение соотношения различных форм кислорода в некоторых из этих цирконов показывает, что они могли взаимодействовать с водой еще 4,38 миллиарда лет назад, что указывает на наличие жидкой воды и, возможно, океанов на нашей планете почти сразу после фазы магматического океана. «Это поразительно, если задуматься» — отмечает Трейл. «Это фактически говорит о том, что через 150 миллионов лет после образования Солнечной системы у нас могла быть пригодная для жизни планета».

Всего через 300 миллионов лет — 4,1 миллиарда лет назад — появились первые свидетельства существования жизни. В 2015 году Элизабет Белл, геофизик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, и ее коллеги обнаружили внутри цирконов углерод из биологических источников. «Мы сделали вывод, что это потенциально останки организмов, живших 4,1 миллиарда лет назад или ранее, когда они оказались в ловушке в этом кристалле» — говорит Белл.

У нас нет надежных измерений содержания углекислого газа в атмосфере в столь давние времена. Но, насколько мы можем судить, мы видим, что его было много. В январе 2020 года Оуэн Лемер, ученый-планетолог, работающий сейчас в Исследовательском центре Эймса НАСА в Калифорнии, и его коллеги опубликовали результаты анализа состава метеоритов 2,7 миллиарда лет назад. Они обнаружили, что когда метеориты проходили через нашу атмосферу, они сохраняли запись состава атмосферы. Исследователи показали, что она могла состоять на 70% и более из углекислого газа, в то время как сегодня он составляет всего 0,04%.

«В то время в атмосфере его действительно было достаточно много» — говорит Лемер. «Добавление большого количества углекислого газа, безусловно, соответствует поддержанию тепла на молодой Земле и предотвращению замерзания».

Температура не всегда была такой приятной. Около 2,4 миллиарда лет назад ледники продвинулись до самого экватора. Мы считаем, что в это время произошел первый «ледниковый период Земли», — говорит Андреас Пак, геохимик из Геттингенского университета. «Весь океан замёрз, возможно, [под] несколькими сотнями метров льда». Ученые считают, что это произошло, когда из атмосферы было извлечено слишком много углекислого газа, поглощенного силикатными породами на суше и на морском дне в процессе, называемом выветриванием горных пород, хотя точная причина неизвестна.

Дополнительное поступление углекислого газа из вулканов, возможно, позволило нашей планете обратить этот процесс вспять. Затем, около 2 миллиардов лет назад, Солнце стало достаточно светлым — более 80% от его нынешнего значения — чтобы поддерживать жидкую воду. «Солнце в конечном итоге становится достаточно теплым, чтобы обеспечить необходимую инсоляцию» — говорит Рену Малхотра, ученый-планетолог из Университета Аризоны. (Считается, что дополнительные события, связанные со снежным комом Земли, произошли 700 миллионов и 635 миллионов лет назад. Вулканические извержения могли быть причиной как начала, так и конца каждого из этих периодов).

В последнее десятилетие усовершенствованное моделирование углеродного цикла нашей планеты позволило предположить, что на ранних этапах истории Земли углекислого газа могло требоваться меньше, чем считали исследователи. Другие факторы, такие как производство метана живыми существами, могли способствовать усилению парникового эффекта.

В ноябре 2021 года Рене Хеллер из Института исследований Солнечной системы имени Макса Планка в Германии и его коллеги предложили еще один потенциальный источник тепла. Вскоре после формирования Луны она, вероятно, была в 15 раз ближе к Земле, чем сегодня. Гравитация Луны оказала бы огромное влияние, создав огромные приливные волны, которые возвышались бы на 2 километра над любыми магматическими или жидководными океанами. Она также могла бы толкать и тянуть внутреннюю часть Земли, создавая экстремальный приливной нагрев, который повысил температуру планеты. Хотя этого недостаточно, чтобы разрешить парадокс слабого молодого солнца, Луна могла дать Земле жизненно важный импульс в течение первых 100–300  миллионов лет существования нашей планеты, повысив температуру Земли на несколько градусов и способствуя вулканической активности на поверхности.

Преимущества тусклого Солнца

Другие недавние работы показывают, что тусклое молодое Солнце могло быть вовсе не проблемой, а преимуществом. Если бы 4,5 миллиарда лет назад Солнце имело от 92% до 95% своей нынешней светимости, Земля могла бы стать слишком горячей, что привело бы к образованию «паровой Земли», где водяной пар не мог бы конденсироваться из атмосферы. «Земля никогда бы не смогла сформировать свои первые океаны» — говорит Мартин Турбе, астрофизик из Национального центра научных исследований Франции. «Тусклое молодое солнце, возможно, было необходимо для обитаемости планеты». Его работа, опубликованная в октябре, смоделировала ранний климат Венеры и показала, что планета никогда не была достаточно прохладной, чтобы поддерживать жидкую воду, даже при более слабом солнце. Если бы раннее солнце не было тусклым, наша планета могла бы разделить судьбу Венеры.

Предстоящие миссии к Венере, запланированные НАСА и Европейским космическим агентством, возможно, смогут рассказать нам, верна ли эта идея, в поисках признаков древней воды. Если они их не найдут, возможно, мы должны быть благодарны. «Это выгода молодого солнца» — говорит Кастинг. Жаркое солнце «выжгло бы океаны».

Марс представляет собой более сложную загадку. Согласно новым данным, полученным с помощью марсохода НАСА Perseverance, на поверхности Марса, по крайней мере, 3,7 миллиарда лет назад были реки и озера. Непонятно, как это было возможно на столь большом расстоянии от Солнца.

«На Марсе загадка становится еще сложнее» — говорит Кирстен Зибах, планетарный ученый из Университета Райса и член научной группы нескольких роботизированных миссий на Марсе, включая Perseverance. «Древнему Марсу потребовалось бы в два раза больше парникового эффекта, чем сегодня на Земле». Образцы, которые собирает Perseverance и которые будут возвращены на Землю в 2030-х годах, могут рассказать нам, было ли это возможно.

Для планет в других солнечных системах проблема слабого молодого солнца усложняет вопрос о внеземной жизни. В декабре 2020 года Тиррелл рассчитал, что сохранение пригодности Земли для обитания в основном объясняется случайностью. Он создал компьютерную модель 100 000 планет. Каждая из них изначально была пригодна для жизни. Затем он подверг каждую планету 100 симуляциям различных сценариев климатической обратной связи. Для 91% планет ни одна симуляция не сохранила планету пригодной для жизни в течение геологического времени. «Успех Земли не был неизбежным результатом, а скорее был обусловлен случайностью» — пишет он. «Ситуация могла склониться в любую сторону». Таким образом для того, чтобы на экзопланетах могла зародиться жизнь, возможно, они должны иметь правильные ингредиенты в правильных обстоятельствах — как Земля.

Мы знаем, что жизнь под нашим слабым молодым солнцем была возможна, и теперь мы можем узнать почему. Мы начинаем понимать, насколько нам повезло, что мы не стали Землей снежного кома или даже паровой Землей. Каким-то образом на нашей планете сложились подходящие условия, которые позволили нам остаться в узком промежутке между замерзанием и испарением в небытие, и позволили нам выжить — несмотря на несколько опасных факторов. «Ведётся большая дискуссия по поводу требований к обитаемости» — отмечает Фойлнер. «Даже на Земле все могло бы легко пойти не так».

Оригинал: Quantamagazine

Похожие Записи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Последние <span>истории</span>

Поиск описаний функциональности, введя ключевое слово и нажмите enter, чтобы начать поиск.