Насколько маленькой может быть Земля, чтобы оставаться жилой? Ученые вычислили предел

Каменистая планета, вращающаяся в зоне обитаемости звезды, похожей на Солнце, может выглядеть идеальным местом для процветания жизни, но лишь до тех пор, пока она не окажется слишком маленькой, чтобы удержать свою атмосферу. Ученые задались вопросом: насколько меньше Земли могла бы быть наша планета, чтобы сохранить восхитительно пригодный для дыхания воздух? И насколько маленькой может быть экзопланета, чтобы поддерживать жизнь в известной нам форме?

С этими вопросами планетолог из Калифорнийского университета в Риверсайде Мишель Хилл и ее коллеги недавно смоделировали, что происходит с атмосферами каменистых миров разного размера. Тестируемые планеты были похожи на Землю и вращались в зонах обитаемости вокруг солнцеподобных звезд. Вывод таков: чтобы мир удерживал атмосферу достаточно долго для зарождения жизни (как минимум несколько миллиардов лет), он должен быть размером по крайней мере с Марс.

Сужая круг поиска: кого выбрать из тысяч миров

Зона обитаемости — область вокруг звезды, где температуры позволяют существовать жидкой воде на поверхности планеты, — это элитная недвижимость в охоте за внеземной жизнью. Но для атмосфер экзопланет это еще и суровый район, потому что чем ближе планета к звезде, тем активнее излучение и звездный ветер пытаются сорвать с нее газовую оболочку. Именно поэтому Хилл и ее коллеги смоделировали, сколько времени потребуется каменистым землеподобным планетам разного размера в обитаемой зоне звезды вроде нашего Солнца, чтобы лишиться атмосферы.

Ответ оказался таким: планета, способная удерживать атмосферу, должна быть около 80% диаметра Земли, хотя технически допустимый минимум — 60%. Это дает астробиологам ключ к тому, на каких мирах сосредоточить поиск признаков жизни. «Изобилие экзопланет создает интереснейшую проблему в поиске потенциально обитаемых миров, — пишут Хилл и ее коллеги. — Из множества целей в зонах обитаемости их звезд, какие являются лучшими кандидатами для последующих наблюдений с целью обнаружения биосигнатур?» Иными словами, у астробиологов теперь едва ли не слишком много планет на выбор, а времени телескопов на изучение всех категорически не хватает. Пора сузить поиск. И один из способов — определить, какие планеты с наибольшей вероятностью обитаемы, а для известной нам жизни обитаемость немыслима без атмосферы.

Вулканы против звездного ветра: битва за газовую оболочку

Модель Хилл и ее коллег «Пригодность для жизни планет меньше Земли» симулирует судьбу атмосфер у цифровых копий Земли. Некоторые из смоделированных миров в точности похожи на наш, но меньше по размеру — с тем же химическим составом и теми же пропорциями ядра, мантии и коры. Другие обладают чуть иным содержанием углерода, более крупным или мелким ядром либо другой стартовой температурой. Модель отслеживает, что происходит с этими мирами на протяжении нескольких миллиардов лет, основываясь на двух факторах: как быстро звездный ветер и излучение срывают газ с атмосферы и как быстро вулканы выбрасывают газ (в основном углекислый), чтобы восполнить потери.

Именно благодаря этой модели команда выяснила, что уменьшенная версия Земли должна быть не менее 80% ее диаметра (0,8 радиуса Земли), чтобы удерживать атмосферу в долгосрочной перспективе. Планеты меньшего размера склонны терять газ быстрее, чем вулканические извержения могут его восполнить. Причина в том, что у маленьких планет слабее гравитация и слабее магнитные поля, которыми можно удерживать тонкую газовую оболочку. Кроме того, их недра обычно выбрасывают меньше газа: мантия — бурлящий слой магмы под корой — со временем выделяет меньше вулканических газов, а верхние слои остывают и затвердевают гораздо быстрее, что прекращает извержения намного раньше в жизни планеты.

Варьируя некоторые параметры Земли, команда сумела добиться, чтобы планеты размером до 0,6 радиуса Земли сохраняли стабильную атмосферу. Ключом оказался углерод: планеты с повышенным содержанием углерода в мантии выделяют больше углекислого газа при извержениях, а это — важнейший после размера фактор, определяющий, сохранит ли планета свою атмосферу. «Углекислый газ — тяжелая молекула, — пишут Хилл и ее коллеги, — что затрудняет ее потерю. Мы рассматриваем чисто углекислую атмосферу как наилучший сценарий для удержания газовой оболочки». Правда, это оптимальный вариант лишь для относительно простых форм жизни, так что с астробиологической точки зрения результат может сильно варьироваться. Чтобы значительно повлиять на судьбу атмосферы, требовалось гораздо больше углерода, чем содержит Земля, но поскольку теоретически планета может сформироваться с таким составом, это полезное знание. Планеты с относительно меньшим ядром и, следовательно, более толстой мантией также имели больше шансов удержать атмосферу. А большой начальный запас радиоактивных элементов, которые распадаются и выделяют тепло в окружающую породу, помогал поддерживать мантию расплавленной, а вулканические газы — устремленными в небо.

Неожиданно помогает и более холодная мантия: считается, что горячая мантия охотнее извергает газы, но холодная дольше не начинает извергаться всерьез, благодаря чему планета сохраняет свой резервуар газов до тех пор, пока ее звезда не станет старше и спокойнее. Новорожденные звезды склонны к бурным всплескам радиации и плазмы, которые сметали бы вулканический газ так же быстро, как он извергался. При более холодной мантии и более поздних извержениях планета удерживает больше выброшенного газа.

Второй шанс для безвоздушных миров

Даже для меньших миров надежда на жизнь не потеряна. Даже планеты, полностью потерявшие свои изначальные атмосферы вместо того, чтобы постепенно заменять их углекислым газом и метаном, могут получить второй шанс на создание новой газовой оболочки. Хилл и ее коллеги предполагают, что одним из способов вернуть утраченную атмосферу могут стать удары комет и астероидов, доставляющих летучие элементы, такие как водород, кислород и углерод. Эти элементы способны соединяться, образуя всевозможные атмосферные газы. Особенно полезны такие удары, если они происходят позже в жизни звездной системы, когда звезда уже миновала свою юную фазу интенсивных вспышек.

«Хотя меньшие планеты сталкиваются с большими трудностями в удержании атмосфер, наша модель предполагает, что при правильных условиях они способны их развить, — пишут Хилл и ее коллеги. — Поэтому даже те, что поначалу теряют свои атмосферы, не следует сразу же сбрасывать со счетов как потенциально обитаемые миры».

В будущем симуляции с использованием Модели пригодности планет меньше Земли могут изучить миры вокруг более мелких и холодных звезд — красных карликов, таких как TRAPPIST-1, где находятся по меньшей мере семь каменистых планет, три из которых в зоне обитаемости. На такие звезды приходится около 75% светил нашей галактики, а их относительно тусклый свет облегчает телескопам вроде «Джеймса Уэбба» получение снимков звездного света, проходящего сквозь атмосферы планет, пролетающих между Землей и их родными звездами. Хилл и ее коллеги также надеются изучить, что происходит с атмосферами приливно-заблокированных планет, где приливные силы поддерживают недра горячими и сейсмически активными, подобно спутнику Юпитера Ио.

Источники: The Planetary Science Journal (M. Hill et al., июнь 2026), Space.com, NASA.