Красный, оранжевый, желтый: обитаемость ≠ эволюция
Что в цвете тебе моем
Почти все звезды входят всего в несколько спектральных классов. Самый массовый – около 75 % всех звезд – это красные карлики. Не менее 9 % – оранжевые карлики. И лишь третьей по встречаемости категорией звезд нашего мироздания можно назвать карлики желтые, рядом с одним из которых, Солнца, живем и мы. Получается, что лишь 4–5 % звезд Галактики – такие как наша, кратно больше – оранжевые, и почти в два десятка раз больше – красные. Все остальные светила встречаются еще реже, чем желтые карлики.
Это и немудрено: ведь красные карлики – самые маломассивные и самые долгоживущие звезды (по расчетам, до триллиона лет), за ними идут оранжевые (до десятков миллиардов лет) и лишь затем (десять миллиардов лет) – желтые карлики. Если какой-то объект требует для формирования меньше вещества, да еще и живет дольше, чем более массивные, то он неизбежно будет доминировать в ландшафте вокруг вас.Долгое время астрономы считали, что красные карлики не могут быть обитаемыми потому, что у их маломассивных звезд-хозяев бывают очень сильные вспышки в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах – в десятки и сотни раз сильнее, чем у Солнца. Предполагалось, что такое излучение и поток заряженных частиц от своих звезд «обдерут» атмосферу карлика, оставив на его месте что-то типа Марса: планету, где почти нет газовой оболочки.
Однако несколько лет назад открытия планет в зоне обитаемости у близких к нам красных карликов поставили эту идею под большой вопрос. Даже ближайшая к нам звезда, Проксима Центавра (тоже красный карлик), имеет в зоне обитаемости планету примерно земных размеров и массы. По расчетам, ее плотность даже ниже, чем у Земли. А добиться такой плотности без атмосферы почти нереально. И, что важно, подобных открытий было сделано много.
Позднее расчеты показали, что если планета сформировалась далеко от своего светила и затем мигрировала поближе к нему, то она может сохранить плотную атмосферу, даже если вспышки звезды очень сильны. Вдобавок выяснилось, что на планетах в зоне обитаемости красных карликов очень часто должен наблюдаться приливной захват: ситуация, когда на одной стороне планеты вечный день, а на другой – вечная ночь. Что важно: по расчетам, при такой ситуации над дневной стороной планеты будет постоянная плотная облачность. А молекулы водяного пара очень хорошо поглощают и ультрафиолет, и тем более рентгеновское излучение. Так что создавалось впечатление: жизни там ничего не угрожает.
Более того: именно в отношении красных и оранжевых карликов даже возник термин «суперобитаемость». Он означает ситуацию, когда планета более пригодна для обитания, чем… Земля. Да, концепция кажется очень странной: наша планета – единственно достоверная обитаемая из известных. Но смысл за идеей все же очень серьезный.
Дело в том, что место, где живем мы, – достаточно выглянуть в окно – мягко говоря, неидеально подходит для жизни. За последние два миллиона климат на Земле менялся с ледникового на относительно теплый десятки раз. Нам повезло жить в теплый период, но всего 20 тысяч лет назад было оледенение. Тогда в воздухе по всей планете было на порядок больше пыли, чем сейчас. Пыльные бури были нормой в теплую половину года, а вот дождей шло в среднем в пару раз меньше, чем сегодня. От этого Амазония, например, как единое явление не существовала: ее джунгли оставили два «острова», рассеченные саваннами. В континентальной Евразии лесов не было вовсе, деревья встречались изредка и поодиночке. Даже тропические пустыни были много больше, чем сегодня: осадков-то меньше.
Нетрудно заметить: это означает, что множество видов деревьев или сложных животных находится под угрозой вымирания. Ведь если сегодня у обитателей земных лесов есть несколько десятков миллионов квадратных километров жизненного пространства, то всего 20 тысяч лет назад их было лишь несколько миллионов, на порядок меньше. И многие действительно в тот ледниковый период исчезли – например, европейские прямобивневые лесные слоны, лесные гиганты массой в десяток тонн и более, превосходящие любых современных слонов или вымерших позднее мамонтов.
Реконструкция Palaeoloxodon antiquus. Фото: Apotea, wikipedia.org
А теперь представим себе: такие опасные периоды повторяются десятки раз. Да еще, к тому же, даже в «теплые» времена, как сегодня, 20 миллионов квадратных километров суши покрыты или льдом (Антарктида + Гренландия), или вечномерзлотной тундрой, которая в плане биопродуктивности не многим лучше тропических пустынь и полупустынь. Кстати, последних у нас тоже под 20 миллионов квадратных километров. То есть более или менее благоприятными для людей выглядят 110 миллионов квадратных километров. Да и там, если уж быть до конца честным, есть крайне прохладная тайга Архангельщины, Вологодчины или Сибири, где в силу суровости климата населения тоже ничтожно мало.
Как мы назовем планету в зоне обитаемости, где арктических и антарктических пустынь – как, скорее всего, и тропических – вовсе нет? Пожалуй, «суперобитаемые» – тут слово вполне подходящее. Именно такими и являются те планеты вокруг красных и оранжевых карликов, на поверхности которых достаточно тепло для жидкой воды. Дело в том, что температура поверхности их звезд в 1,5–2 раза прохладнее, чем у Солнца. Поэтому, если наша звезда дает более 90 % своего излучения в видимой части спектра, то красные и оранжевые карлики 75–95 % своего излучения дают в инфракрасной части спектра. ИК-волны длиннее, чем у видимого света, и поэтому водный лед и снег практически не могут отражать их обратно в космос. А вот со льдами и снегами Земли история обратная: они легко отражают основную часть энергии падающего на них солнечного излучения, что серьезно остужает планету.
Суперобитаемая планета в представлении художника
Красным показана растительность: дело в том, что высшие растения обычно имеют цвет, соответствующий самому насыщенному излучением участку спектра своей звезды (это позволяет избежать проблем от поглощения избыточной энергии). У желтых карликов самая насыщенная излучением часть видимого спектра – зеленая, а у красных – красная. То есть, по логике, и растительность у красного карлика будет красной
Понятно, что, когда Земля из-за снега и льда охлаждается, и того, и другого на ней становится еще больше. Они охлаждают ее еще сильнее, и так – по кругу. Собственно, именно эта положительная обратная связь и есть причина оледенений и существования в нашем мире обширных холодных и теплых пустынь. На планетах у оранжевых и красных карликов потери энергии звезды вовне практически нет, поэтому стабильные полярные ледовые шапки у полюсов у обитаемой планеты там физически невозможны.
Получается, рай – он именно такой – под оранжевым или красным солнцем? Ведь мало того, что там нет пустынь и полярных шапок – звезды этих планет светят от десятков миллиардов до триллионов лет. Отменная стабильность, если сравнить ее с нашей системой, где светимость Солнца растет так быстро, что уже через миллиард лет без серьезнейших орбитальных зеркал огромных размеров сложная жизнь на Земле просто изжарится.
Суперобитаемая планета в представлении художника. Красным показана растительность: дело в том, что высшие растения обычно имеют цвет, соответствующий самому насыщенному излучением участку спектра своей звезды (это позволяет избежать проблем от поглощения избыточной энергии). У желтых карликов самая насыщенная излучением часть видимого спектра – зеленая, а у красных – красная. То есть, по логике, и растительность у красного карлика будет красной, wikipedia.org
Стабильность – залог стагнации?
Так бы все и считали, если бы не рост знаний о прошлом нашей собственной планеты. В последние десятки лет ученые выяснили: первые строматолиты, следы фотосинтезирующих цианобактерий, похоже, имеют возраст не менее 3,5 миллиарда лет. Порядка двух миллиардов лет назад на Земле возникли первые многоклеточные.
Эти открытия сразу поставили науку перед очень сложным вопросом. Если кислород мог вырабатываться под солнечными лучами 3,5 миллиарда лет назад, как так получилось, что вплоть до полумиллиарда лет назад (!) стабильного содержания больших количеств кислорода на планете не было? Вопрос важнейший, потому что бескислородный метаболизм неизбежно намного медленнее кислородного, и по-настоящему сложная жизнь без больших количеств этого газа возникнуть не может.
Возникал и второй вопрос: если три миллиарда лет кислорода на планете было трагически мало, что держало ее жизнь в крайне примитивных формах, то что вдруг изменилось в последние полмиллиарда лет, породив кембрийский взрыв биоразнообразия? Что стало толчком к резкому росту содержания кислорода в атмосфере и, соответственно, толчком к началу развития по-настоящему сложной жизни?
Согласно вышедшей в 2022 году в Science научной работе, причиной скучной стабильности в основном одноклеточной жизни 3,5–0,5 миллиарда лет назад была стабильность климатическая. А резкое ускорение эволюции, начавшееся 0,7 миллиарда лет назад и закончившееся выходом жизни на сушу около полумиллиарда лет назад, напротив, стало результатом нарушения этой стагнации. По всей видимости, до 0,8 миллиарда лет назад в атмосфере Земли было не только мало кислорода, но и много газа, из которого окружающий нас кислород получился – то есть диоксида углерода, СО2. Это мощный парниковый газ, который не давал случаться серьезным оледенениям.
Когда 0,7–0,8 миллиарда лет назад его концентрация резко упала, Землю охватило глобальное оледенение, криогений. В эту эпоху ледник покрывал сушу даже на экваторе, сделав планету исключительно негостеприимной. Фотосинтезирующие организмы жили там, где были полыньи (их поддерживали морские течения) в мировом океане, основная часть которого в то время ощетинилась толстым льдом.
Новые и исключительно сложные обстоятельства заставляли уже существовавшие примитивные многоклеточные организмы серьезно эволюционировать. Какие-то их линии (хайнаньская биота), существовавшие до глобального оледенения, целиком или почти целиком вымерли. Кто-то преуспел и сформировал уже весьма продвинутую эдиакарскую биоту, за которой последовала еще более сложная кембрийская.
Из всего этого напрашивается вывод. Сверхстабильный, лишенный оледенений климат красных и оранжевых карликов может быть слишком райским для серьезного развития. В нем не просто исключены оледенения, но и едва ли не полностью отсутствуют побудительные мотивы, которые заставили бы жизнь выйти из «зоны комфорта». Зачем меняться, если можно, как на Земле 3,5–0,8 миллиарда лет назад, оставаться все время одинаковым? С той только разницей, что в системах карликовых звезд с другим, не желтым цветом, такая стабильность может длиться хоть триллион лет.
Более того: климатическая стабильность должна замедлять и последующую эволюцию многоклеточных, уже после достижения в основном кислородной атмосферы и выхода жизни на сушу. Напомним: уже в пермском периоде, более 250 миллионов лет назад многие виды животных были теплокровными, умели поддерживать стабильную температуру тела. А что побудит к достижению теплокровности обитателей миров под красным и оранжевым солнцем?
Кратер Адывар на Венере, диаметр примерно 30 км. Даже очень плотная атмосфера не может полностью защитить свою планету от ударов крупных астероидов, wikimedia.org
Как показывают расчеты, при достаточно плотной атмосфере, с давлением хотя бы в 4–5 от земного, температура на поверхности планеты будет практически одинаковой от полюсов до экватора. Слишком уж хорошо в плотной атмосфере переносится тепло. Кстати, в нашей системе есть примеры такого рода – это спутник Сатурна Титан. Его газовая оболочка тоже в основном азотистая, как и на Земле, только вчетверо плотнее ее. Так вот: там практически нет ни суточных, ни годовых перепадов температур, заслуживающих упоминания. Судя по уже выявленным плотностям ряда планет в системе красных карликов – а они часто ниже земных – атмосфера там может быть много плотнее нашей. И что тогда?
Теплокровность на температурно стабильной планете основную часть времени будет абсолютно бесполезна. Так что вряд ли ее кто-то выработает. Однако без нее у сложных форм жизни возникнут серьезные проблемы. Раз в несколько миллионов лет даже планеты с очень плотной атмосферой получают мощнейшие удары крупных астероидов. Мы знаем это на примере Венеры, где давление газовой оболочки в 92 раза выше нашей, а следы падения астероидов на поверхность все равно есть.
Кратер Адывар на Венере, диаметр примерно 30 км. Даже очень плотная атмосфера не может полностью защитить свою планету от ударов крупных астероидов
Удары астероидов больших размеров порождают «астероидную зиму»: они выбивают большое количество породы, пыль в верхних слоях атмосферы на месяцы и годы охлаждает поверхность. Например, на Земле 66 миллионов лет назад чиксулубский астероид уронил температуры на два десятка градусов на протяжении месяцев.
Большинство динозавров к тому моменту было теплокровными, но даже несмотря на это среди них выжили только беззубые из отряда манирапторов (сегодня мы называем их «птицы»). А что было бы с Землей вокруг красного солнца, да еще и при наличии плотной атмосферы? Сложные формы жизни резко сократили бы численность или вымерли вовсе. Ведь холод был бы для них совершенно непривычным явлением. Когда круглый год на любой широте температура одна и та же – любое ее серьезное падение приведет к массовой гибели всех, кто сколько-нибудь сложно устроен.
Складывается очень неприятная картина. Даже если после удара астероида случайно возникнут теплокровные виды, за следующие миллионы лет они потеряют эту способность полностью. В итоге сложная жизнь в таких мирах будет регулярно «обнуляться». Растения, быть может, еще как-то и разовьются, а вот животный мир будет, по необходимости, довольно примитивным.
Нет ли других способов избежать «ловушки стабильности»?
Строго говоря, отсутствие оледенений – и даже суточных и сезонных перепадов температур – не исключает возможности возникновения сложных видов вообще. Например, для планет у красных карликов, как мы уже отмечали выше, частым будет приливной захват. Когда половина поверхности вечно обращена в ночь, а вторая – в день, вполне могут появиться виды животных, способные охотиться как на дневной стороне, так и в сумеречной зоне – или на стороне ночной.
Даже при плотной атмосфере и постоянном тепле в ночном полушарии какая-то терморегуляция у таких видов неизбежно возникнет. Хотя бы потому, что на дневной стороне им надо будет как-то отводить от себя тепло лучей своей звезды, во избежание перегрева. А на ночной такой необходимости не будет. Типичная зона обитаемости лежит там, где с неба на каждый квадратный метр падает до киловатта энергии. Ясно, что существа, адаптированные к дневной и ночной стороне, с большей вероятностью переживут падение астероида и смогут не погибнуть, сохранив часть биоразнообразия даже после ударов крупных небесных тел.
Другой возможный путь ускорения эволюции у красных и оранжевых звезд – это «путь крокодила». Если какое-то существо периодически живет то на суше, то в воде, то при падении астероида, убивающего всех, кто не приспособлен к холоду, такие «амфибийные» животные получат серьезное преимущество. Ведь океан имеет колоссальную теплоемкость, и даже после удара астероида основная часть его не покроется льдом. В ней можно будет существовать, даже несмотря на некоторое снижение температуры поверхностных слоев. Возможно, и разумные виды на такой планете по необходимости будут способными жить как в воде, так и на суше.
Однако остается ключевая проблема: как сверхстабильный мир перейдет от бескислородной атмосферы к кислородной? Как местная биосфера по сложности дорастет до земной полмиллиарда лет назад, если ее, в отсутствии оледенений, не будет к этому ничего подталкивать? Вероятно, какая-то очень длительная эволюция способна привести к такому эволюционному прорыву даже без глобального оледенения. Например, те же удары астероидов могут запустить изменение баланса в сторону ускорения эволюции кислородопродуцирующих видов. Вот только достоверно мы этого не узнаем до тех пор, пока не получим достаточно подробные данные по спектрам атмосфер планет у ближайших красных карликов. Оптимизм внушает разве что тот факт, что это должно случиться уже в нашем столетии.
Что в этом полезного для нас?
Может показаться, что речь идет о вещах, представляющих разве что научный, а не практический интерес. На самом деле, не совсем так. Практически все серьезные попытки спрогнозировать будущее землян указывают: рано или поздно они попытаются колонизировать миры за пределами Солнечной системы.
Между тем, более 80 % таких миров – это как раз планеты красных и оранжевых карликов. Именно таковы и наши ближайшие соседи, система Центавра. Если там из-за вечной климатической стабильности царит простейшая жизнь, как на Земле 3,5–1,0 миллиарда лет назад, то это существенно изменит картину колонизации подобных миров.
Да, за счет стабильных температур и плотной атмосферы там не нужен будет полноценный скафандр. Но без кислорода в воздухе человеку там потребуются маска и кислородный баллон. Да, высшие растения могут процветать даже там, где кислорода в воздухе почти нет, им важнее углекислый газ, который на бескислородных землеподобных планетах в норме должен быть. Но, просто ли будет их собирать, если каждый фермер будет бегать с кислородным баллоном за спиной?
Наконец, человеку для поддержания элементарного здоровья глаз надо регулярно гулять под открытым небом. Опять с баллоном? С ним же, вероятно, придется и ездить в отпуск, и кататься на велосипеде, и делать все остальное? Мы можем не знать, чем именно будут увлекаться наши потомки в эпоху космической цивилизации. Но мы точно знаем, что за последние 100 тысяч лет физически человек изменился крайне мало – а значит, потребность гулять и развлекаться под открытым небом не покинет наш вид и в отдаленном будущем.
Все это указывает на то, что даже при наличии плотной атмосферы и приемлемых температур большинство потенциально обитаемых миров придется подвергать ускоренному терраформированию, завозя туда земные высшие растения, способные быстро нарабатывать кислород. И, вероятно, земные же (пусть и генетически адаптированные под другие длины световых волн) водоросли. Большая работа – и, быть может, о ней стоит задуматься сильно заранее. Чтобы не пришлось ковать орало для колонизации новых миров на коленке, в последний момент – рискуя что-нибудь упустить.
Наука
Александр Березин
Магистр катастроф: Тим Самарас
Свой среди чужих
Будущая Атлантида: Дагестан, Астрахань, Волгоград
Азотпанк и все-все-все
