Существует ряд гипотез, согласно одной из которых континенты сформировались как основа для возникновения и развития различных форм жизни на Земле. Известно, что земные материки располагаются на вязкой мантии планеты, перемещаясь по ее поверхности, в то время как тепловое излучение ядра поддерживает мантию в текучем состоянии, препятствуя её затвердеванию и последующей фиксации движения континентов. Источником данного тепла являются радиоактивные элементы, образовавшиеся вследствие мощных столкновений нейтронных звезд. Таким образом, теоретически возможно определить временные рамки появления различных континентальных структур на планетах во Вселенной. Данным направлением исследований в последние годы занимается группа ученых, подробнее о деятельности которых представлен данный материал. Среди них — профессор астрономии Джейн Гривз из Школы физики и астрономии Кардиффского университета (Уэльс).
Её исследования направлены на изучение образования планет и их обитаемости. Последнее из наиболее интересных исследований опубликовано в журнале Research Notes of the American Astronomical Society. Название представленной статьи содержит 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 – это 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.
Автор: Вячеслав Голованов @SLY_G
Источник: https://habr.com/
