Сегодня во Вселенной существует множество звёздных систем, пригодных для жизни. Но когда-то в далёком будущем произойдёт окончательное исчезновение жизни.
Один из аспектов нашей Вселенной, с которым приходится смириться — осознание того, что со временем все вещи рано или поздно исчезнут. Формирование новых звёзд и звёздных систем, хотя они и будут продолжать формироваться ещё многие миллиарды или даже триллионы лет, находятся на спаде: нынешняя скорость звёздообразования составляет лишь около 3 % от той, что была на пике около 11 миллиардов лет назад. Планеты вроде Земли вокруг таких звёзд, как Солнце, хотя и встречаются сегодня относительно часто, в далёком будущем будут крайне редки. А самые долгоживущие звёзды, даже если вокруг них есть планеты размером с Землю, могут оказаться плохими кандидатами на поддержание жизни из-за их невероятно активного поведения.
В какой-то момент в далёком будущем последний живой мир во Вселенной столкнётся со своей гибелью, означающей конец того, что мы знаем как биологическую активность в нашем космосе. Но когда это произойдёт? И когда и где сохранятся последние шансы для разумной жизни? Это хочет узнать читатель, который пишет следующее:
«Мой вопрос касается вероятности появления разумной жизни через миллиарды лет. Звёзды М-класса крайне враждебны к жизни (в том виде, в котором мы её знаем). Планеты в зоне обитаемости расположены так близко, что они приливно-отливные, как наша Луна, и всегда показывают одну сторону по отношению к Солнцу. Поэтому одна сторона у них горячая, а другая — холодная, а звезды М-класса испускают огромное количество опасного излучения, смертельного для жизни (в том виде, в котором мы её знаем). Поэтому, если сейчас во Вселенной, безусловно, есть жизнь, то будет ли она существовать через миллиарды лет?»
Несмотря на то, что в этом вопросе ещё много неопределённости, вот лучшее, что может рассказать наука об ответах на данный момент.
Ингредиенты для пригодной для жизни планеты
Если вы хотите, чтобы во Вселенной возникла жизнь, планета (или иной мир, например, в случае с пригодным для жизни спутником), возможно, и не является абсолютным требованием, но она определённо обеспечивает превосходную среду, в которой зарождение жизни будет встречено целым рядом благоприятных условий. Это означает, что определённое химическое обогащение — то есть достаточно большая доля элементов тяжелее водорода или гелия — должно было появиться до формирования звезды и звёздной системы, которую вы выбрали. В 2022 году общее число подтверждённых экзопланет впервые превысило 5000, и в результате анализа того, вокруг каких звёзд вообще есть планеты, выяснились удивительные факты:
-
Почти все планеты, 98,2%, были найдены вокруг звёзд, содержание тяжёлых элементов в которых составляло не менее 25% от содержания тяжёлых элементов в Солнце,
-
остальные 1,8% планет были найдены вокруг звёзд, содержание тяжёлых элементов в которых составляло от 5% до 25% от содержания тяжёлых элементов в Солнце,
-
а вокруг звёзд с содержанием менее 5% тяжёлых элементов, содержащихся в Солнце, вообще не было обнаружено планет.
Если вам нужен скалистый мир, в котором жизнь могла бы выжить и процветать, необходимо наличие достаточного количества тяжёлых элементов, а это накладывает ограничения на то, где в эволюционировавших галактиках современной Вселенной такие планеты могут образоваться.
Звёзды и обитаемость
Планеты обеспечивают сырьё, на основе которого могут запускаться биохимические реакции, необходимые для жизни; однако ещё один необходимый ингредиент для зарождения жизни — это источник энергии. Хотя звезда может быть не единственным источником энергии — радиоактивный распад, приливные силы, вызванные родительской планетой или большой луной, вулканическая активность и другие внутренние и внешние источники вполне вероятны, — мы знаем, что Солнце обеспечивает энергией почти все формы жизни на Земле. Однако выбор звезды в качестве источника энергии для жизни на Земле накладывает огромные ограничения на типы миров, пригодных для жизни.
Во-первых, нужно удачно расположиться по отношению к своей звезде. Если вы окажетесь слишком близко к родительской звезде, мощный жар, ветры и излучение, исходящие от звезды, сотрут атмосферу или нагреют поверхность до такой степени, что единственной жидкостью, которая сможет существовать на поверхности мира, будет лава. Аналогично, если вы окажетесь слишком далеко от родительской звезды, вам будет слишком холодно и вы получите слишком мало энергии от звезды, чтобы жизнь могла существовать на поверхности. (Хотя жизнь в подповерхностном океане, движимая внутренним теплом, всё ещё может быть возможной). Именно эта идея лежит в основе того, что астрономы и астробиологи называют «обитаемой зоной», которая описывает, где, при наличии атмосферы, подобной земной, на поверхности планеты может существовать жидкая вода.
Зона обитаемости каждой звезды уникальна и определяется температурой и светимостью звезды — её общим энерговыделением. Чем ярче звезда, тем шире и дальше от неё обитаемая зона; чем холоднее и тусклее звезда, тем более узкой и близкой к звезде будет её обитаемая зона. Считается, что в нашей Солнечной системе обитаемая зона простирается внутрь от орбиты Земли на расстояние чуть большее, чем расстояние Венеры от Солнца, а наружу — примерно до того места, где находится Марс, и, возможно, чуть дальше. Многие учёные считают, что если бы Марс был чуть больше и массивнее, он мог бы быть таким же пригодным для жизни, как и Земля, даже в течение длительных периодов времени.
Однако для звёзд, более массивных, чем Солнце, это создаёт большие трудности. Видите ли, планетам требуется время на остывание после их первоначального формирования, чтобы на них могла возникнуть жизнь; мир, покрытый вулканической активностью, где единственные «океаны» выкипают в атмосфере — не совсем то, что можно назвать пригодным для жизни, по крайней мере, исходя из нашего нынешнего понимания жизни. Но для звёзд общее время жизни также зависит от массы звезды, которая тесно связана с её собственной яркостью. Это означает, что окрестности звезды с массой, превышающей массу Солнца более чем на 150 %, могут оказаться неподходящим местом для зарождения и поддержания жизни.
Звёздная масса и время жизни
Есть старая поговорка: «Пламя, которое горит в два раза ярче, живёт в два раза меньше», но для звёзд ситуация гораздо хуже. Чем массивнее звезда, тем больше в её ядре топлива для ядерного синтеза, поэтому неудивительно, что более массивные звёзды светят ярче, чем их менее массивные собратья. Но может оказаться неожиданным, что чем массивнее звезда:
-
тем выше максимальная температура в её ядре,
-
тем больше объём ядра, в котором может происходить ядерный синтез (при температуре свыше ~4 миллионов К),
-
и тем быстрее сгорает ядерное топливо, находящееся в её ядре.
Если сложить все эти эффекты вместе, то окажется, что звезда, которая в два раза массивнее другой, живёт в восемь раз меньше неё!
Кроме того, звезды эволюционируют в течение своей жизни, нагреваясь, а это значит, что у любой обитаемой планеты есть лишь ограниченное количество времени, в течение которого она может поддерживать жизнь, прежде чем её родительская звезда нагреется настолько сильно, что океаны выкипят, а любые зачатки биологии будут стерилизованы. На планете Земля у нас, вероятно, есть ещё 1-2 миллиарда лет, прежде чем это произойдёт, но на планете вокруг значительно более массивной звезды любая сформировавшаяся жизнь была бы стерилизована задолго до того, как она смогла бы развиться в нечто сложное, дифференцированное и разумное. У планет вокруг более массивных звёзд просто не хватит времени.
Но это может сделать менее массивные звёзды даже более привлекательными кандидатами на жизнь в долгосрочной перспективе, чем звёзды, подобные нашему Солнцу. Поначалу это может показаться нелогичным, поскольку планеты вокруг самых долгоживущих звёзд — маломассивных, относящихся, по мнению астрономов, к «М-классу», также известных в просторечии как красные карлики, — сталкиваются с двумя серьёзными проблемами, которых нет у таких планет, как Земля, вращающихся вокруг звёзд, подобных Солнцу (G-класса). Звёзды с меньшей массой, чем Солнце, могут жить сотни миллиардов или даже триллионы лет, а самые маломассивные из них — до ~100 триллионов лет. Следующие две проблемы, с которыми они сталкиваются, существенны, но все же не являются решающими для жизни.
-
Приливной захват. Расстояние от более массивного родительского тела, например звёзды, до менее массивного орбитального тела, например планеты, определяет временной интервал, в течение которого менее массивное тело попадает в приливный захват к более массивному. Приливный захват — это то, что произошло с Луной, вращающейся вокруг Земли, и объясняет, почему одна и та же сторона Луны всегда обращена к Земле. Вокруг звёзд класса М все планеты, находящиеся в так называемой обитаемой зоне, попадут в захват максимум через несколько миллионов лет, то есть у них всегда будет одна палящая горячая сторона, которая всегда обращена к звезде, и одна ледяная холодная сторона, которая никогда не получает прямого света от родительской звезды.
Многие планетологи считают, что приливной захват неблагоприятен для жизни, поскольку создаёт сильный и постоянный температурный градиент на планете, которая вращается вокруг своей оси только один раз за орбитальный оборот. Однако:
-
приливные силы на планете будут нагревать планетарное ядро,
-
что может позволить создать (не обязательно необходимое) защитное магнитное поле и привести к большему выделению газов через вулканы,
-
что может предотвратить разрушение атмосферы,
-
и таким образом циркуляция атмосферы могла бы обеспечить наличие жидкой воды и, возможно, жизни не только в узком «кольце» вдоль границы дня и ночи, но и в регионах, простирающихся как на дневную, так и на ночную сторону.
Другими словами, эта «приливная блокировка», хотя и может показаться нам необычной здесь, на Земле, не является препятствием для возникновения и процветания жизни.
Однако есть и вторая серьёзная проблема, с которой приходится сталкиваться планетам вокруг звёзд меньшей массы.
-
Частота и мощность вспышек. В то время как звезда, подобная нашему Солнцу, меняется крайне незначительно — её энерговыделение увеличивается всего на несколько процентов за несколько миллиардов лет и изменяется не более чем на ~0,1% даже в экстремальные периоды солнечного цикла, — все наблюдаемые нами звёзды малой массы остаются чрезвычайно активными и переменными даже спустя миллиарды лет после своего рождения. У красных карликов появляются пятна, похожие на солнечные, огромные и способные занимать до половины площади звезды. Несмотря на то что они излучают гораздо меньше света, чем Солнце, они часто испускают высокоэнергетические, богатые рентгеновским и ультрафиолетовым излучением вспышки, способные разрушить атмосферу орбитальной планеты.
Многие предполагают, что подобная звёздная активность делает эти планеты совершенно непригодными для жизни, но здесь есть важная оговорка: временно. Видите ли, наше Солнце и все остальные звёзды когда-то тоже были такими: активными, богатыми на вспышки, часто испускающими ионизирующее и испаряющееся из атмосферы излучение и частицы. Но в течение достаточно долгого времени звезда, подобная нашему Солнцу, переходит в более стабильную фазу, выдавая стабильную дозу излучения, почти не меняющуюся по температуре и интенсивности, любой орбитальной планете — то, что мы считаем одним из условий, благоприятных для жизни.
Оказывается, время, которое требуется звезде, чтобы успокоиться, зависит от её массы. Звёздам класса K (класс, промежуточный между звёздами класса G, такими как наше Солнце, и красными карликами класса M) могут потребоваться сотни миллионов или даже миллиарды лет, чтобы перейти в стабильную фазу, но мы уже видели, как старые звёзды класса K достигают этого состояния стабильного излучения. Что касается красных карликов, то мы вполне ожидаем, что когда-нибудь — но в сроки, превышающие нынешний возраст Вселенной в 13,8 миллиарда лет, — эти звёзды также достигнут стабильной фазы. Даже если они рано лишат орбитальную планету атмосферы, вулканическая активность сможет пополнить её, что приведёт к возможности возникновения жизни на таком мире в далёком будущем: через много триллионов лет.
Длинный хвост звёздообразования и последняя надежда на жизнь
Однако в какой-то момент, через много-много лет, звёзды перестанут формироваться. Скорость звёздообразования во Вселенной падает с момента расцвета 11 миллиардов лет назад, и сейчас она составляет около 3 % от максимальной и продолжает снижаться. Когда галактика расходует весь газ, в ней больше не остаётся материала, способного сформировать следующее поколение звёзд, поэтому самые высокомассивные и короткоживущие звёзды со временем начинают умирать. Через несколько миллиардов лет остаются только звёзды меньшей массы, окрашенные в красный цвет, и такие галактики становятся известны как «красные и мёртвые» [red and dead].
Массивные галактики вблизи центров крупных скоплений галактик быстрее всего становятся красными и мёртвыми, а изолированные, богатые газом галактики будут существовать дольше всех, участвуя в так называемом спокойном звёздообразовании в течение триллионов лет, а возможно, и дольше. В тех местах, где звёздообразование идёт медленно — струйкой, а не мощными всплесками, — возможно, эти богатые газом галактики будут продолжать формировать звёзды в течение квадриллионов лет. Но даже после того, как это прекратится, останется ещё одна группа объектов, которые сольются, чтобы в последний раз осветить космос: коричневые карлики, или неудавшиеся звезды, которые в конце концов упадут друг на друга и сольются.
Когда они доживут до этого, и если их масса будет достаточной, они смогут запустить термоядерный синтез, чтобы сформировать красный карлик, и если планетарные условия на орбитальных мирах будут подходящими, жизнь может возникнуть и процветать, как только эта звезда войдёт в стабильную фазу своей жизни. Всё это, если сложить кусочки головоломки вместе, означает следующие возможности для жизни.
-
Если говорить о существующих сегодня звёздах, то самые маломассивные из них станут пригодными для жизни только через сотни миллиардов или даже триллионы лет и могут оставаться пригодными для жизни до ~1014 (100 триллионов) лет.
-
Для звёзд, которые ещё не сформировались, возможно, что новое звёздообразование принесёт новые шансы на жизнь, которые продлятся до ~1017 (100 квадриллионов) лет в будущем.
-
А звёзды, которые в конечном итоге образуются в результате слияния коричневых карликов, могут продолжать гореть ещё до 1021 (одного секстиллиона) лет в будущем, прежде чем гравитационные взаимодействия полностью исключат из картины то, что мы считаем «галактиками».
Всё это, я должен подчеркнуть, сопровождается большой долей неопределённости и неизвестности. В конце концов, Земля, даже в 2024 году, остаётся единственным известным нам миром, где жизнь когда-либо зарождалась и продолжает процветать. Возможности для жизни, по крайней мере в том виде, как мы её понимаем, остаются разнообразными и многочисленными, и должны сохраниться даже в далёком космическом будущем нашей Вселенной, даже если наш космический дом будет пригоден для жизни не так уж долго. Во Вселенной, где так много миров и так много биохимических возможностей — прошлых, настоящих и будущих, — было бы глупо полагать, что развитие событий здесь представляет собой единственный мыслимый путь к успеху.
