Когда астрономы ищут планеты, способные удерживать жидкую воду на своей поверхности, они начинают с так называемой «зоны обитаемости». Вода — ключевой ингредиент для жизни, и если планета слишком близко к звезде, ее вода может «выкипеть»; если слишком далеко — замерзнуть. Эта зона отмечает регион, где возможно существование воды в жидкой фазе.

Однако нахождение в этой «зоне Златовласки» отнюдь не гарантирует, что планета гостеприимна для жизни. Другие факторы, такие как геологическая активность планеты или процессы, регулирующие состав газов в ее атмосфере, играют не менее важную роль.

Зона обитаемости — это полезный ориентир в поисках признаков жизни на экзопланетах. Но следующий ключ к разгадке существования жидкой воды, а возможно, и жизни за пределами Земли, скрыт в составе атмосфер этих далеких миров.

На Земле парниковый эффект, вызванный такими газами, как углекислый газ и водяной пар, сохраняет планету достаточно теплой для существования жидкой воды и жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Без атмосферы средняя температура поверхности Земли составляла бы около -18 °C, что far below точки замерзания воды.

Границы зоны обитаемости определяются тем, насколько сильный «парниковый эффект» необходим для поддержания температур, позволяющих воде оставаться в жидком состоянии. Это баланс между солнечным светом и атмосферным прогревом.

Многие планетологи, включая автора этой статьи, стремятся понять, действуют ли процессы, ответственные за регуляцию земного климата, на других мирах в зонах обитаемости. Мы используем наши знания о геологии и климате Земли, чтобы предсказать, как эти процессы могут проявляться в других местах.

Сила и ограничения зоны обитаемости

Зона обитаемости — это простая и мощная концепция, и не без оснований. Она дает отправную точку, направляя астрономов туда, где они могут ожидать найти планеты с жидкой водой, без необходимости знать все детали об атмосфере или истории планеты.

На определение этой зоны частично повлияли знания ученых о каменистых соседях Земли. Марс, который находится чуть за внешним краем зоны обитаемости, демонстрирует явные следы древних рек и озер, где когда-то текла жидкая вода.

Аналогично, Венера в настоящее время слишком близка к Солнцу, чтобы находиться в зоне обитаемости. Тем не менее, некоторые геохимические данные и моделирование предполагают, что в прошлом на Венере могла быть вода, хотя ее количество и продолжительность существования остаются неясными.

Эти примеры показывают, что, хотя зона обитаемости и не является идеальным предсказателем, она предоставляет полезный старт для исследований.

Геология как ключ к долгосрочной обитаемости

Что зона обитаемости не может сделать, так это определить, способна ли планета поддерживать подходящие условия в течение долгого времени. На Земле стабильный климат позволил жизни возникнуть и сохраниться. Жидкая вода оставалась на поверхности, давая медленным химическим реакциям достаточно времени для создания молекул жизни, а ранним экосистемам — для развития устойчивости к изменениям.

Эта стабильность складывалась на протяжении сотен миллионов лет, поскольку поверхность, океаны и атмосфера планеты работали вместе как часть медленной, но мощной системы регуляции температуры.

Ключевой элемент этой системы — recycling неорганического углерода между атмосферой, поверхностью и океанами на протяжении миллионов лет. Этот часть углеродного цикла действует как естественный термостат. Когда вулканы выбрасывают углекислый газ в атмосферу, молекулы CO₂ удерживают тепло и нагревают планету. По мере роста температуры дождь и выветривание извлекают углерод из воздуха и запасают его в горных породах и океанах.

Если планета остывает, этот процесс замедляется, позволяя углекислому газу снова накапливаться в атмосфере. Этот механизм помогал Земле восстанавливаться после ледниковых периодов и избегать неконтролируемого перегрева.

Даже по мере того как Солнце постепенно становилось ярче, этот цикл помогал поддерживать температуры на Земле в диапазоне, позволяющем жидкой воде и жизни существовать на протяжении огромных промежутков времени.

Теперь ученые задаются вопросом, могут ли аналогичные геологические процессы работать на других планетах, и если да, то как их можно обнаружить. Например, если исследователи смогут наблюдать достаточное количество каменистых планет в зонах обитаемости их звезд, они смогут поискать связь между количеством получаемого планетой солнечного света и содержанием углекислого газа в ее атмосфере. Обнаружение такой закономерности может намекать на работу схожего углеродного цикла в другом мире.

Взгляд в будущее: обсерватория обитаемых миров

Следующим шагом станет получение популяционного представления о планетах в зонах обитаемости. Анализируя атмосферные данные множества каменистых планет, исследователи смогут искать тенденции, раскрывающие влияние фундаментальных планетарных процессов, таких как углеродный цикл.

Ученые смогут затем сравнить эти закономерности с положением планеты в зоне обитаемости. Это позволит им проверить, точно ли зона предсказывает, где возможны обитаемые условия, или же некоторые планеты поддерживают условия для жидкой воды и за ее пределами.

Такой подход особенно важен учитывая невероятное разнообразие экзопланет. Многие из них попадают в категории, которых нет в нашей Солнечной системе — например, сверхземли и мини-нептуны. Другие обращаются вокруг звезд, которые меньше и холоднее нашего Солнца.

Наборы данных, необходимые для изучения этого разнообразия, уже появляются на горизонте. Предстоящая обсерватория NASA «Habitable Worlds Observatory» станет первым космическим телескопом, специально предназначенным для поиска признаков обитаемости и жизни на планетах, вращающихся вокруг других звезд. Она будет напрямую получать изображения планет земного размера у солнцеподобных звезд, чтобы детально изучать их атмосферы.

Приборы обсерватории будут анализировать звездный свет, проходящий через эти атмосферы, для обнаружения газов, таких как углекислый газ, метан, водяной пар и кислород. Когда свет фильтруется через атмосферу планеты, разные молекулы поглощают определенные длины волн, оставляя за собой химический «отпечаток пальца», который раскрывает состав атмосферы. Эти соединения дают представление о процессах, формирующих эти миры.

Запуск обсерватории запланирован на 2040-е годы. В сочетании с возможностями современных телескопов, которые уже сегодня способны изучать атмосферы планет земного типа, у ученых вскоре может появиться шанс ответить на фундаментальный вопрос: являются ли планетарные процессы, регулирующие климат Земли, обычным явлением throughout галактики, или же они — наша уникальная особенность. Это не только приблизит нас к обнаружению жизни за пределами Земли, но и поможет понять, насколько хрупок или, напротив, устойчив механизм, поддерживающий жизнь на нашей собственной планете.