Область изучения экзопланет выросла экспоненциально за последние 20 лет. Благодаря таким миссиям, как Kepler, TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) и другим специализированным обсерваториям, астрономы подтвердили существование 5690 экзопланет в 4243 звёздных системах.
С таким количеством планет и систем, доступных для изучения, учёные были вынуждены пересмотреть многие ранее существовавшие представления о формировании и эволюции планет и о том, какие условия необходимы для жизни. В последнем случае учёные переосмыслили концепцию околосолнечной обитаемой зоны (CHZ).
По определению, CHZ — это область вокруг звезды, где вращающаяся вокруг неё планета будет поддерживать жидкую воду на своей поверхности. По мере эволюции звёзд их сияние и тепло будут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от их массы, изменяя границы CHZ.
Группа астрономов из Итальянского национального института астрофизики (INAF) рассмотрела, как эволюция звёзд влияет на их ультрафиолетовое излучение. Поскольку ультрафиолетовый свет, по-видимому, важен для возникновения жизни в том виде, в котором мы её знаем, они рассмотрели, как эволюция ультрафиолетовой обитаемой зоны звезды (UHZ) и её CHZ могут быть связаны.
Исследовательскую группу возглавил Риккардо Спинелли, исследователь INAF из Астрономической обсерватории Палермо. К нему присоединились астрономы из Национального института ядерной физики (INFN), Университета Инсубрии и Астрономической обсерватории Брера.
UHZ — это область вокруг звезды, где планета получает достаточно ультрафиолетового излучения, чтобы вызвать образование предшественников РНК, но не настолько, чтобы разрушить биомолекулы. «Эта зона в первую очередь зависит от ультрафиолетовой светимости звезды, которая со временем уменьшается. В результате этого ультрафиолетовая обитаемая зона находится дальше от звезды на ранних стадиях её эволюции и постепенно приближается к ней с течением времени», — Спинелли.
Как астрономам известно уже некоторое время, CHZ также подвержены эволюции из-за изменений в светимости и тепловом выходе звезды, которые увеличиваются или уменьшаются со временем в зависимости от массы светила. Рассмотрение взаимодействия этих двух обитаемых зон может пролить свет на то, какие экзопланеты с наибольшей вероятностью являются «потенциально пригодными для жизни» в известном виде.
Как объяснил Спинелли, «Мы до сих пор точно не знаем, как зародилась жизнь на Земле, но у нас есть некоторые подсказки, указывающие на то, что ультрафиолетовое излучение могло сыграть решающую роль. Экспериментальные исследования, такие как проведённое Полом Риммером и Джоном Сазерлендом в 2018 году, дают существенную информацию. В своем эксперименте Риммер и Сазерленд подвергли ионы цианистого водорода и сульфита водорода в воде воздействию УФ-излучения и обнаружили, что это эффективно запускает образование предшественников РНК. Без ультрафиолетового света та же смесь привела к инертному соединению, которое не могло образовать строительные блоки жизни. Кроме того, РНК демонстрирует устойчивость к повреждениям от ультрафиолетового излучения, что указывает на то, что она, вероятно, образовалась в среде, богатой ультрафиолетом. Оно было одним из самых распространённых источников химической энергии на ранней Земле, что позволяет предположить, что оно могло сыграть решающую роль в возникновении жизни».
Для своих целей Спинелли и его коллеги стремились определить, будут ли (и как долго) перекрываться зоны CHZ и UVZ, способствуя тем самым возникновению жизни. С этой целью команда проанализировала данные с телескопа NASA UVOT (Swift Ultraviolet/Optical Telescope), чтобы измерить текущую ультрафиолетовую светимость звёзд с экзопланетами, которые находятся в «классической» обитаемой зоне (Habitable Zone, HZ). Затем они изучили данные космического телескопа NASA GALEX (Galaxy Evolution Explorer), который наблюдает за галактиками на расстоянии до 10 миллиардов лет в ультрафиолетовом диапазоне. Из GALEX они включили то, как движущиеся группы молодых звёзд развиваются с точки зрения их ближней ультрафиолетовой светимости.
«Чтобы оценить эволюцию ультрафиолетовой обитаемой зоны во времени, мы использовали результаты, полученные Ричи-Йоуэллом и соавторами в работе 2023 года. В этой работе авторы вывели среднюю эволюцию ультрафиолетовой светимости для каждого типа звёзд. Мы реконструировали эволюцию ультрафиолетовой яркости звёзд, содержащих планеты в классической обитаемой зоне, путём объединения средней эволюции, полученной Ричи-Йоуэллом, и измерений, проведённых с помощью телескопа Swift», — сказал Спинелли.
Из этого они определили, что существует пересечение между эволюцией CHZ и UHZ. Эти результаты были особенно заметны для звёзд M-типа (красных карликов), где было обнаружено множество каменистых планет, вращающихся внутри их CHZ. Предыдущие исследования, включающие статью 2023 года Спинелли и многих из тех же коллег, предполагали, что M-карлики в настоящее время не получают ближнего ультрафиолетового излучения для поддержки пребиотической химии, необходимой для возникновения жизни. Однако их выводы в последней статье противоречат их предыдущим выводам.
Спинелли сказал: «Мы утверждаем, что при изучении эволюции светимости в ближней ультрафиолетовой области (NUV luminosity) у М-карликов большинство этих холодных звёзд действительно способны испускать достаточное количество фотонов NUV в течение первых 1–2 миллиардов лет своей жизни, чтобы инициировать формирование важных строительных блоков жизни. Результаты показывают, что условия для зарождения жизни (в соответствии с пребиотическим путём, который мы рассматриваем) могут быть или могли быть обычными в галактике. Пересечение между классической зоной обитаемости и ультрафиолетовой зоной обитаемости может существовать (или могло существовать) вокруг всех звёзд нашей выборки на разных стадиях их жизни, за исключением самых холодных М-карликов [температура менее 2800 К, в частности, Trappist-1 и звезда Teegarden]».
Хотя результаты могут немного разочаровать тех, кто надеется найти жизнь на некоторых из семи каменистых планет TRAPPIST-1, но сулит хорошие перспективы для других звёзд M-типа, в зонах их обитания которых есть каменистые планеты. Сюда входят ближайшая к Солнечной системе экзопланета (Проксима b), Ross 128 b, Luyten b, Gliese 667 Cc и Gliese 180 b, все из которых находятся в пределах 40 световых лет от Земли.
Эти результаты могут иметь важное значение для исследований экзопланет и астробиологии, которые в последние годы перешли от стадии открытия к стадии описания. Исследования в этом направлении получат большую пользу от телескопов следующего поколения, таких как космический телескоп «Нэнси Грейс Роман», а также наземных обсерваторий, которые позволят проводить исследования экзопланет методом прямой визуализации.