Пригодность планеты для жизни определяется совокупностью многих факторов. До сих пор наши исследования потенциально пригодных для жизни миров за пределами нашей солнечной системы сосредоточивались исключительно на их положении в «обитаемой зоне» их солнечной системы, где их температура определяет, может ли на их поверхности существовать жидкая вода. В последнее время к этому ограничению добавился ещё и состав атмосферы. Отчасти это связано с техническими ограничениями доступных нам инструментов — даже мощный космический телескоп Джеймса Уэбба способен видеть только атмосферы очень больших планет, расположенных поблизости. Но в ближайшие десятилетия мы получим новые инструменты, такие как Обсерватория обитаемых миров (ООМ), которые будут специально приспособлены для поиска потенциально пригодных для жизни миров. Так что же нам нужно будет искать с их помощью? В новой статье, доступной в препринте на arXiv, Бенджамин Фарси из Университета Мэриленда и его коллеги утверждают, что для того, чтобы оценить шансы образования жизни на планете, мы должны изучить, как она образовалась.

Поясним, что ООМ не сможет заглянуть в прошлое — по крайней мере, не дальше, чем позволяет расстояние, которое должен пройти свет от этих миров, чтобы достичь нас. Однако он может получить представление о том, как сформировалась планета, на основе определённых измеримых значений. Д-р Фарси и его соавторы описывают четыре различных аспекта планеты, которые определяются на ранних этапах её формирования и оказывают большое влияние на её способность в будущем поддерживать сложную жизнь.

Первая основная тема — это основной состав. В основном учёных интересуют четыре базовых элемента, из которых состоит порядка 93% типичной планеты земного типа. Это магний, железо, кремний и кислород. В конечном итоге соотношение этих элементов определяет, будет ли на планете тектоника плит, необходимая для поддержания относительно стабильной среды в течение миллионов лет. Удобно, что соотношение этих элементов на планете можно определить, посмотрев на соотношение их в звезде, вокруг которой она вращается — они должны быть эквивалентными, поскольку обе были сформированы из одного и того же доступного вещества.

Вторым фактором является обилие «летучих веществ». При формировании планет под летучими веществами понимаются любые элементы с относительно низкой температурой конденсации, при которой не менее 50 % элемента превращается в газ. В газообразном состоянии они гораздо легче уносятся солнечным ветром, поэтому на таких планетах, как Меркурий, сформировавшихся в очень горячей области Солнечной системы, летучих веществ мало, а на Марсе, сформировавшемся дальше от Солнца, их много. Поскольку летучие вещества, такие как углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера (CHNOPS), являются ключевыми ингредиентами для жизни, их наличие на планете является критическим фактором, определяющим её развитие.

Однако есть ещё один важный фактор в формировании планет, который оказывает большое влияние на пригодность планеты для жизни, и он обусловлен одним конкретным летучим веществом — кислородом. Наличие кислорода на планете на ранней стадии развития определяет величину, называемую фугитивностью (или летучестью) кислорода. Это играет решающую роль в третьем факторе — размере ядра планеты.

Баланс между чистым железом и оксидом железа (попросту говоря, ржавчиной) имеет решающее значение для формирования ядра ранней планеты. Чистое железо, как правило, опускается к ядру, создавая более крупное ядро, тогда как оксид железа попадает в мантию, уменьшая размер ядра. Ядро является одним из основных факторов, определяющих пригодность планеты для жизни, поскольку оно контролирует одну из важнейших защитных функций планеты — её магнитное поле. Большое ядро создаёт сильное магнитное поле, защищающее элементы и потенциальные формы жизни на поверхности планеты от солнечной радиации, в то время как маленькое ядро может создавать слабое поле, позволяя солнечному ветру уносить многие полезные элементы, а радиации — выжигать ландшафт планеты.

Последние два фактора создают новый тип обитаемой зоны, согласно которой планета должна иметь достаточно малое количество летучих веществ (особенно кислорода), чтобы сформировать большое металлическое ядро и, таким образом, геодинамо, но в то же время достаточное количество летучих веществ, чтобы на планете после её стабилизации могла зародиться жизнь. Слишком мало летучих веществ — и планета окажется похожей на Меркурий, ядро которого занимает 85% его размера и создаёт сильное магнитное поле, но является бесплодной пустыней. Слишком много летучих веществ — и она окажется похожей на Марс, у которого наблюдается изобилие летучих веществ, но настолько маленькое ядро, что его магнитное поле не защищало его поверхность в течение миллиардов лет, что также позволило ему стать бесплодной пустыней. Земля в этом сценарии имеет как раз нужное количество летучих веществ, что позволяет ей иметь сильное защитное магнитное поле, а также достаточное количество оставшихся летучих веществ для развития и поддержания жизни в течение миллиардов лет.

Последним фактором, определяющим пригодность планеты для жизни на ранних этапах её жизненного цикла, является её «тепловая машина». Она приводится в действие одним из двух способов: либо радиоактивными элементами в ядре планеты, либо, как в случае с некоторыми спутниками в нашей солнечной системе, приливным нагревом, который деформирует планету настолько, что её внутренние слои нагреваются. Радиоактивное нагревание мантии в основном обеспечивают три элемента: калий, торий и уран — и, к счастью, два из них легко обнаружить в спектрографе звезды-хозяйки. Третий элемент, уран, отследить не так просто, но у него есть эквивалент в виде европия, который астрономы используют в качестве посредника для определения содержания урана.

ООМ должен быть способен увидеть три фактора, которые помогут нам понять ранний цикл развития исследуемых им экзопланет. Он сможет найти спектральную сигнатуру звезды, что поможет понять наличие летучих и радиоактивных элементов. Он может обнаружить наличие магнитного поля с помощью метода, называемого спектрополяриметрией, который наблюдает, как световые волны изгибаются этим магнитным полем. Кроме того, он будет отслеживать «вулканическое дыхание» в атмосфере (в основном диоксид серы и сероводород), которое указывает на наличие активных вулканов и, следовательно, тектоники плит на поверхности планеты. Сочетание этих факторов, а не просто оценка местоположения планеты по отношению к «зоне обитаемости» её звезды, является гораздо более комплексным способом оценки её потенциальной пригодности для жизни.

К сожалению, это означает, что нам придётся подождать до 2040-х годов, чтобы получить истинное представление об истории этих планет. Запуск ООМ запланирован на этот период, хотя, судя по опыту прошлых великих обсерваторий, этот срок может оказаться слишком оптимистичным. По мере продвижения работы над определением целей миссии, её разработчикам и инженерам придётся решить множество вопросов, и определить, что именно должен будет искать наш будущий охотник за планетами.