В астробиологии обитаемый мир — это обязательно планета, согретая лучами родительской звезды. Но Вселенная наполнена множеством объектов, выброшенных в межзвездное пространство — планетами-сиротами. Они считались стерильными ледяными пустынями, непригодными для зарождения жизни, но новые термодинамические модели показывают, что это не совсем так.
Согласно расчетам, экзолуны планет-сирот могут сохранять на поверхности жидкую воду на протяжении более четырех миллиардов лет. Для этого им требуются два фактора: интенсивный приливной разогрев и плотная атмосфера, состоящая преимущественно из водорода.
Термодинамический кризис классических моделей
Главная проблема обитаемости в глубоком космосе — сохранение тепла. Внутренние источники энергии планетарного тела (распад радиоактивных элементов или приливное трение) генерируют тепловой поток, который необходимо удержать у поверхности. В Солнечной системе и в большинстве моделей экзопланет роль утеплителя отводилась углекислому газу (СО2).
Углекислый газ эффективен как парниковый агент, но имеет физическое ограничение, которое становится критическим в условиях планет-сирот. При низких температурах и высоком давлении СО2 теряет газообразную форму. Происходит фазовый переход: газ конденсируется в жидкость или твердое вещество (сухой лед) и выпадает на поверхность. Это явление называют атмосферным коллапсом. Как только атмосфера конденсируется, парниковый эффект исчезает, и небесное тело быстро остывает.
Исследование показало, что именно этот процесс делает невозможным существование жидкой воды на спутниках планет-сирот с углекислотными атмосферами. Кривая конденсации углекислого газа пересекает температурные профили таких миров раньше, чем удается достичь стабильного парникового эффекта. Требовалось совсем другое решение проблемы теплоизоляции.
Физика водородной атмосферы
Авторы работы предложили рассмотреть атмосферы, где доминирующим компонентом является водород (Н2). Водород — легчайший элемент, который остается газом при экстремально низких температурах, что исключает риск атмосферного коллапса. Только вот молекула водорода в обычных условиях прозрачна для инфракрасного излучения и не создает парникового эффекта.
Ситуация меняется при повышении давления. В плотных атмосферах (от 10 до 100 бар) вступает в действие механизм, известный как поглощение, индуцированное столкновениями. Из-за высокой плотности газа молекулы водорода сталкиваются друг с другом с высокой частотой. В моменты столкновения кратковременно деформируются их электронные оболочки, возникают наведенные электрические дипольные моменты.
В этом возбужденном состоянии водород приобретает способность поглощать тепловое излучение, идущее от поверхности спутника. Чем выше давление, тем чаще происходят столкновения и тем эффективнее атмосфера блокирует выход тепла в космос. Моделирование с использованием кода радиативного переноса HELIOS подтвердило: водородная оболочка способна обеспечить необходимую теплоизоляцию даже при отсутствии внешнего облучения звездой.
Гравитация как источник энергии
Вторым компонентом системы жизнеобеспечения выступает источник тепла. Для спутников планет-сирот им становится гравитационное взаимодействие с материнской планетой. Если орбита спутника имеет форму вытянутого эллипса (обладает эксцентриситетом), гравитационное воздействие планеты на спутник постоянно меняется в зависимости от расстояния между ними.
Переменные приливные силы деформируют недра спутника. Механическая энергия трения слоев породы преобразуется в тепловую. Этот процесс похож на тот, что происходит на спутнике Юпитера Ио, который является самым вулканически активным телом в Солнечной системе. Однако для поддержания жизни требуется тонкий баланс: тепла должно быть достаточно для плавления льда, но не настолько много, чтобы испарить всю воду или вызвать глобальный вулканизм.
Расчеты орбитальной эволюции показали, что спутник массой с Землю, вращающийся вокруг планеты массой с Юпитер, способен генерировать стабильный поток тепла на протяжении миллиардов лет. Продолжительность этого периода зависит от начальных параметров орбиты и массы спутника. В оптимальных сценариях жидкая вода на поверхности может существовать до 4,3 миллиарда лет — срок, сопоставимый с временем существования жизни на Земле.
Химический фундамент абиогенеза
Наличие жидкой воды это необходимое, но недостаточное условие для возникновения жизни. Нужна еще сложная химия. Авторы исследования использовали код равновесной химии GGchem для анализа состава атмосферы и поверхности таких лун.
В моделируемых условиях водородная атмосфера содержит примеси аммиака, метана и воды. Аммиак играет здесь двойную роль. Во-первых, он является дополнительным парниковым газом. Во-вторых, растворяясь в поверхностных водоемах, он обеспечивает щелочную реакцию среды. Это особенно важно, так как многие пребиотические реакции, ведущие к формированию РНК, требуют именно щелочных условий и наличия ионов магния.
Кроме того, приливная природа источника тепла создает уникальный механизм для усложнения органики. Гравитационное воздействие планеты вызывает мощные приливы и отливы в океанах спутника. Регулярное чередование увлажнения и высыхания прибрежных зон считается одним из наиболее вероятных механизмов полимеризации нуклеотидов в длинные цепочки РНК. В условиях постоянного океана такие реакции затруднены из-за гидролиза (разрушения связей молекулами воды), но периодическое высыхание позволяет преодолеть этот барьер.
Водородная атмосфера также создает восстановительную химическую среду. В отличие от современной окислительной атмосферы Земли, восстановительная среда способствует синтезу сложных органических соединений из простых компонентов, что согласуется с классическими теориями происхождения жизни.
Стабильность и эволюция системы
Одним из важных вопросов исследования была долгосрочная стабильность таких атмосфер. Водород — легкий газ, склонный к диссипации (улетучиванию) в космическое пространство. Однако планеты-сироты находятся в межзвездной среде, где отсутствует мощный поток ультрафиолетового излучения и звездного ветра, которые являются главными факторами эрозии атмосфер в планетных системах.
Расчеты скорости джинсовской диссипации (термического убегания газа) показали, что спутник с массой Земли способен удерживать плотную водородную оболочку на протяжении времени, превышающего возраст Вселенной. Это делает систему замкнутой и стабильной.
В ходе эволюции орбита спутника постепенно скругляется под действием приливных сил. По мере уменьшения эксцентриситета снижается выработка тепла. Моделирование охватывало популяцию из почти 7000 виртуальных лун, учитывая различные сценарии их формирования и выброса из родной системы. Результаты показывают, что значительная часть таких объектов (до 43% в зависимости от параметров) проходит через фазу, допускающую существование жидкой воды на поверхности.
Значение для астрофизики
Эти расчеты меняют подход к оценке распространенности потенциально обитаемых миров. Планеты-сироты, ранее считавшиеся стерильными объектами, на самом деле могут быть перспективными целями для астробиологии. Их количество в Галактике, по современным оценкам, сопоставимо с количеством звезд, что означает существование триллионов потенциальных автономных биосфер.
Отсутствие света делает невозможным фотосинтез, поэтому гипотетическая биосфера таких миров должна опираться на хемосинтез — получение энергии из химических реакций, как в экосистемах «черных курильщиков» на дне земных океанов.
Конечно, обнаружить такие объекты — сложнейшая техническая задача. Поскольку они не освещаются звездой, их невозможно увидеть в оптическом диапазоне отраженного света. Однако плотные атмосферы и тепловое излучение могут быть зафиксированы будущими инструментами. В частности, телескопы следующего поколения (такие как Nancy Grace Roman Space Telescope) смогут искать такие системы методом гравитационного микролинзирования, а спектральный анализ транзитов (если планета-сирота пройдет на фоне далекой звезды) теоретически позволит выявить наличие водородной атмосферы и воды.
Так что, видимо жизнь не обязательно привязана к звездам. Гравитация и термодинамика газов способны создать устойчивые оазисы в самых темных уголках Вселенной.
Источник: arXiv