По одной из гипотез континенты Земли необходимы для появления и поддержания на ней жизни. Континенты «плавают» поверх вязкой мантии Земли, а тепло ядра планеты не даёт мантии затвердеть и зафиксировать континенты на месте.

Ядро горячее из-за присутствия в нём радиоактивных элементов, возникших в результате столкновений нейтронных звёзд. Таким образом, можно теоретически рассчитать, когда во Вселенной на какой-либо из планет могли образоваться первые континенты. Именно этим и занялся один из исследователей.

Джейн Гривз — профессор астрономии в Школе физики и астрономии Кардиффского университета в Уэльсе. Её работа посвящена образованию планет и обитаемости. Её новое исследование опубликовано в журнале Research Notes of the American Astronomical Society. В его названии содержится простой вопрос: «Когда появились первые экзоконтиненты?»

Работа Гривз направлена на то, чтобы сделать поиск пригодных для жизни миров более эффективным. Если континенты и тектоника плит, обеспечивающая их существование, критически важны для жизни, то сужение вероятных мест расположения каменистых планет может сделать поиск пригодных для жизни миров более эффективным.

Прежде всего, почему континенты и тектоника плит важны?

Тектоника плит, возможно, не является абсолютно необходимой для жизни. Однако они играют важную роль, регулируя температуру Земли. Они позволяют теплу выходить из ядра, а избыток тепла в ядре препятствует работе защитной магнитосферы Земли. Они также помогают удерживать Землю в так называемой «зоне обитаемости». Однако некоторые исследования показывают, что миллиарды лет назад, когда появилась жизнь, тектоника плит не была очень активной. Таким образом, для зарождения жизни они, возможно, и не нужны, но для сохранения жизни и её эволюции в более сложные существа, такие как человек, они, скорее всего, необходимы.

Поэтому при поиске жизни и пригодных для жизни планет следует ориентироваться на скалистые планеты с тектоникой плит. На самом деле мы хотим найти планеты с континентами. Планеты с континентами могут поддерживать больше биомассы в течение более длительных периодов времени, чем планеты без континентов, а тектоника плит создаёт континенты.

Тектоника плит, возможно, не является необходимым условием зарождения жизни на планете. Но тектоника и континенты, вероятно, необходимы для сохранения и усложнения жизни.

Ривз нашла способ проследить, на каких планетах могут существовать континенты: нужно просто понять, на каких планетах может существовать тектоника плит. Во многом это связано с теплом. Если ядро каменистой планеты выделяет достаточно тепла, то, скорее всего, там существует активная тектоника плит, а мы знаем, почему ядро Земли выделяет тепло.

В ядре содержатся радиоактивные изотопы уран-238, торий-232 и калий-40. На геологических временных промежутках эти элементы распадаются на другие элементы и выделяют тепло. Эти элементы появляются не случайным образом — они образуются в нейтронных звёздах и при взрывах сверхновых.

Во всём этом есть огромное количество деталей, и в одном исследовании их невозможно отразить. Работа Гривз — попытка понять всё это с более широкой точки зрения. «Здесь я представляю исследовательский метод для гипотетических землеподобных планет у звёзд, фотосферное изобилие которых позволяет сделать некоторые выводы о радиогенном нагреве планет», — пишет она.

Не последнюю роль в этом играет связь между звёздами и формирующимися вокруг них планетами. Планеты формируются из звёздной туманности — того же материала, из которого образуется звезда. Поэтому обилие различных химических элементов в звезде отражается на планетах, которые формируются вокруг неё.

Гривз взяла данные предыдущих исследований о содержании в звёздах различных элементов, а затем объединила их с данными о возрасте звёзд, полученными с помощью Gaia. Для точности она рассматривала две отдельные популяции звёзд: звёзды с тонким диском и звёзды с толстым диском. Звёзды с тонким диском обычно моложе и имеют более высокую металличность, а звёзды с толстым диском старше и беднее металлами.

На снимке Млечного Пути видны толстый и тонкий диски. Звёзды тонкого диска моложе и имеют более высокую металличность, чем более старые и бедные металлами звёзды толстого диска.

Полученные ею результаты показывают, что появление континентов на Земле попадает в медиану графика.

Тектоника земных плит началась около 3 млрд. лет назад, или примерно 9,5 млрд. лет от начала существования Вселенной. В выборке Гривз первые континенты появились за 2 млрд. лет до Земли на звёздах с тонким диском. У звёзд с толстым диском скалистые планеты с континентами появились ещё раньше: примерно за 4-5 млрд. лет до Земли.

Она также обнаружила, что на большинстве планет континенты будут формироваться медленнее, чем на Земле. Для образования континентов планетам необходимо необходимое количество тепла, а избыток тепла неблагоприятен.

На этом рисунке из исследования представлены некоторые результаты, полученные Гривз. Серыми точками обозначены звёзды типов F, G и K. Наше Солнце — звезда типа G, а звёзды F и K достаточно похожи, чтобы в данной работе их можно было объединить в одну группу. Розовые точки представляют две звезды с толстым диском, участвующие в исследовании, а оранжевая точка — наше Солнце. Жёлтая пунктирная линия разделяет планеты, на которых континенты образуются либо медленнее, либо быстрее, чем на Земле. Оси пересекаются на отметке 12,5 млрд. лет — текущий возраст Вселенной. Image Credit: Jane S. Greaves 2023 Res. Notes AAS 7 195

Гривз также обнаружила корреляцию между континентами и отношением Fe/H в звёздах. «Наблюдается общая тенденция зависимости содержания железа в звёздах: континенты появляются раньше при более низком [Fe/H]», — пишет она.

На этом рисунке из исследования по оси x показан возраст Вселенной, а по оси y — Fe/H, широкая мера металличности звёзд. Серые точки — это звёзды F, G и K-типа, а розовые точки — звёзды с толстым диском, которые явно выделяются на фоне остальных. Image Credit: Jane S. Greaves 2023 Res. Notes AAS 7 195

Гривз пишет, что звёзды с более низкой металличностью, чем наше Солнце, могут быть хорошим местом для поиска пригодных для жизни экзопланет с континентами. «Системы с субсолнечной металличностью представляются особенно интересными», — пишет она. В её выборке все эти планеты сформировали континенты быстрее, чем Земля, поэтому там более вероятна развитая жизнь. Возможно, даже более развитая, чем у нас.

Звёзды с толстым диском также интригуют, поскольку у них явно быстро образовались континенты. «Пример систем с толстым диском особенно далеко зашёл и заслуживает дальнейшего изучения», — пишет она, добавляя, что из всех известных нам звёзд, у которых есть экзопланеты, только 7% являются звёздами с толстым диском.

До запуска обсерватории Habitable Worlds остаются считанные годы, и у научного сообщества есть время разобраться с критериями поиска и с тем, что является наилучшими целями. «У Habitable Worlds Observatory есть только 46 FGK-звёзд в своём списке целей высшего уровня», — пишет она. Но 15 из них присутствуют в её результатах. Если её работа верна, то «...только в этой выборке могут существовать две системы с биосферами более развитыми, чем у нас на Земле».

Гривз делает вывод, что перспективы поиска пригодных для жизни планет с долгоживущими континентами хорошие. «Перспективы поиска каменистых экзопланет с континентами представляются весьма многообещающими, учитывая, что близлежащие солнцеподобные звёзды уже породили несколько планет-кандидатов», — пишет она.

Следующим шагом должно стать изучение звёздного изобилия изотопов тория и калия, вызывающих радиогенный нагрев. Это «...может помочь обнаружить более древние системы, в которых жизнь на суше могла возникнуть раньше, чем на Земле».

Некоторые элементы являются геофизически критическими, особенно радиогенные, вызывающие нагрев, такие как U, Th и K. Если добавить к ним Fe, то эта группа элементов становится критичной для размера ядра планеты, гравитации и внутренней температуры. Внутренняя температура планеты очень важна не только потому, что она регулирует жизнеобеспечивающую магнитосферу, но и потому, что она помогает создать условия для тектоники плит и континентов.

Предыдущие исследования показывают, что вероятность появления землеподобных планет с континентами на ранних этапах галактической истории была выше, а по мере развития галактики она снижалась. Но нам ещё предстоит многое узнать об экзопланетах, обитаемости, радиогенном нагреве, континентах и тектонике плит, а также о сотне других вещей.

Мы не можем с уверенностью сказать, где мы найдём жизнь и в каких геофизических условиях. Всё, что мы можем сделать, — это получше изучить Землю, продолжать строить более мощные телескопы и набраться терпения.