ПопулярноеРедакцияСвежее
ЛучшееОбсуждаемое

Решение парадокса слабого молодого Солнца

1
В молодой Солнечной системе расположенная близко к Земле Луна оказывала гравитационное воздействие на внутреннюю часть планеты, нагревая её изнутри. Изображение: James O’Brien for Quanta Magazine

Наше солнце становится ярче. Если бы мы могли вернуться во времени к только что возникшей Солнечной системе 4,5 миллиарда лет назад, то нашли бы звезду, которая светила бы на треть тусклее, чем сегодня. В последующие эпохи она сияла всё ярче и ярче — результат процесса ядерного синтеза, происходящего в ядрах звёзд, подобных нашей. Он продлится до конца существования нашего светила, ещё примерно 5 миллиардов лет.

Столь слабое солнце на раннем этапе своего развития должно было привести к катастрофе на Земле. Если бы наша планета сейчас обращалась вокруг такой звезды, температура в среднем составляла бы около -7°C — слишком холодно для того, чтобы вода могла оставаться в жидкой форме. «Планета должна была бы полностью замёрзнуть, — пояснил Тоби Тиррелл, исследователь системологии Земли из Саутгемптонского университета. — Жизнь не могла бы развиваться».

И всё же она развилась. Мы знаем, что жидкая вода присутствовала на поверхности нашей планеты уже 4,4 миллиарда лет назад, а может быть, и раньше, поскольку водяной пар мог конденсироваться из атмосферы. Похоже, вскоре после этого возникла одноклеточная жизнь. И вода вместе с живыми организмами смогли  — несмотря на несколько серьёзных катастроф — создать на планете относительный оазис, в котором мы и живём сегодня.

Но если Солнце было таким слабым, как же это стало возможным?

Парадокс слабого молодого Солнца, как известно, не давал учёным покоя на протяжении десятилетий. Но недавнее исследование, похоже, даёт нам надежду, что теперь мы сможем разобраться с этой проблемой. Старые теории были доработаны, в то время как новые, в том числе одна, связанная с пугающе близкой Луной, которая создавала приливные волны размером с небоскрёбы, помогли заполнить кое-какие из оставшихся пробелов.
Учёные также пришли к выводу, что парадокс слабого молодого Солнца имеет важные последствия не только для Земли, но и для нашего понимания процесса появления жизни. Удалось ли нашему миру, при его столь оптимальном расположении вокруг относительно спокойной звезды, породить жизнь совершенно случайно? И что это может означать для перспективы возникновения жизни вне нашей планеты? «Это действительно фундаментальный вопрос, касающийся обитаемости Земли на протяжении всей её истории, — сказал Бенджамин Шарне, планетолог из Парижской обсерватории, — и он всерьёз влияет на вопрос присутствия жизни на экзопланетах».

Исследуя тайны молодого Солнца, мы смогли понять историю нашего мира, как никогда раньше. При этом мы обнаруживаем, что то, что когда-то казалось парадоксом, на самом деле может раскрыть саму причину нашего существования.

Парадокс

К середине XX века учёные только начинали понимать механизм эволюции таких звёзд, как Солнце. Глубоко в ядре звезды водород превращается в гелий, производя энергию. По мере уменьшения количества водорода ядро сжимается, что, в свою очередь, увеличивает скорость синтеза. Звезда со временем становится ярче.

Фотография Карла Сагана, сделанная в 1974 году, через два года после того, как он предположил, что парниковые газы помогут решить парадокс слабого молодого Солнца. Снимок: Santi Visalli Inc. | Getty Images

В 1958 году американский астрофизик немецкого происхождения Мартин Шварцшильд и британский астроном Фред Хойл использовали эти знания, чтобы независимо друг от друга прийти к одному и тому же выводу: когда Солнце только сформировалось, оно должно было обладать лишь 70% той светимости, которую имеет сейчас. «Самые первые модели эволюции звёзд предсказывали это», — пояснил Джеймс Кастинг, геолог из Пенсильванского государственного университета. Однако в 1960-х годах учёные начали находить доказательства существования воды на Земле с датировками около 4 миллиардов лет. Казалось, что это противоречит солнечным моделям. Земля не могла быть достаточно тёплой под столь слабым молодым Солнцем, чтобы иметь жидкую воду. В одной статье, датированной 1965 годом, в попытке решить возникшее противоречие, учёные предположили, что либо Солнце было старше, чем мы думали, либо модели его эволюции необходимы небольшие изменения, чтобы допустить более высокую светимость нашей звезды.

Американские астрономы Карл Саган и Джордж Маллен предприняли более существенную попытку разрешить этот парадокс в 1972 году, проведя первое подробное исследование проблемы слабого молодого Солнца. Они предположили, что более толстая атмосфера ранней Земли могла удерживать больше тепла, сохраняя планету достаточно тёплой, чтобы поддерживать воду в её жидком состоянии. Парниковым газом, который мог бы участвовать в этом процессе, согласно разработанной двумя учёными теории, был аммиак.

Однако он так и не стал потенциальным решением парадокса. «Аммиак был бы уничтожен солнечной ультрафиолетовой радиацией, — пояснил Георг Феллнер, климатолог из Потсдамского института исследований климатических изменений. — Позже исследователи поняли, что это просто не сработает». В конце 1970-х годов учёные обратились к ещё одному парниковому газу — углекислому — в качестве возможного решения. «С углекислым газом всё гораздо проще, — заверил Феллнер. — На раннем этапе в экосистеме Земли было много углерода, поэтому разумно предположить, что может образовываться значительное его количество и в атмосфере».

В 1981 году Кастинг и его коллеги исследовали возможное влияние углекислого газа на атмосферу ранней Земли, отметив, что вулканы могли высвободить достаточный его объём, чтобы решить парадокс с Солнцем. Даже если нашей планете и удалось бы замёрзнуть — что, по-видимому, произошло как минимум трижды — вулканы, торчащие изо льда, смогли бы обратить этот процесс вспять. «В результате большой парниковый эффект должен был растопить ледяной покров за короткий с геологической точки зрения период времени», — предположили Кастинг и его коллеги.

Инфографика: Samuel Velasco | Quanta Magazine; источник: Catling and Kasting (2017)

Но найти доказательство этой гипотезы было чрезвычайно трудно — мы же не можем просто взять образец атмосферы возрастом 4 миллиарда лет. В отсутствие геологического подтверждения пришлось искать другие варианты. Вероятно, высокий уровень углекислого газа уменьшил количество низких облаков, которые отражали бы солнечный свет обратно в космос. Или, быть может, в далёком прошлом Солнце было более массивным, что противодействовало бы ослаблению процесса синтеза в его ядре. «Если вы увеличите массу Солнца на 5%, то изначально оно было бы таким же ярким, как сейчас, и в таком случае ни о каком парадоксе светимости речи вообще не идёт», — заявил Пит Мартенс из Университета штата Джорджия. Однако большинство исследователей относятся к этой идее скептически.

Решение проблемы слабого молодого Солнца требовало лучшего понимания самых ранних периодов Земли: катархейского эона, продлившегося от 4,6 до 4 млрд лет назад, и последующего архейского эона, закончившегося 2,5 млрд лет назад. Учёным нужно было выяснить, когда впервые возникла вода и жизнь, и получить представление о ранней атмосфере Земли. К счастью, ответы были не за горами.

Вода, везде вода

На заре катархея в молодую протоземлю врезался объект размером не меньше Марса, а возможно, и вдвое больше. Столкновение сформировало Луну и, по сути, обнулило временную шкалу нашей планеты. Вероятно, это также вызвало резкое повышение температуры на Земле и появление на её поверхности океана магмы.

Этот океан мог остыть всего за несколько десятков миллионов лет, что позволило планете обрести более узнаваемые нами черты. Доказательством этого служат крошечные кристаллы, называемые цирконами.

Джеймс Кастинг работал над парадоксом слабого молодого Солнца более четырёх десятилетий. Фотография: Penn State

«Цирконы — это самые старые из известных на сегодняшний день земных минералов на нашей планете, — сказал Дастин Трейл, геолог из Рочестерского университета, опубликовавший работу о свойствах этих минералов в 2018 году. — Их возраст насчитывает 4,4 миллиарда лет». Изучение соотношения различных форм кислорода в некоторых из этих цирконов показывает, что они, возможно, взаимодействовали с водой ещё 4,38 миллиарда лет назад, непосредственно указывая на присутствие жидкой воды и, возможно, океанов на нашей планете почти сразу после периода магматического океана. «Это просто удивительно, — пояснил Трейл. — Это фактически говорит нам, что через 150 миллионов лет после образования Солнечной системы наша планета уже могла быть обитаема».

Всего 300 миллионов лет спустя — 4,1 миллиарда лет назад — появляются первые признаки жизни на Земле. В 2015 году Элизабет Белл, геолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, и её коллеги обнаружили внутри цирконов углерод, имеющий признаки биологического происхождения. «Мы пришли к выводу, что потенциально это были останки организмов, живших как минимум 4,1 миллиарда лет назад, когда они оказались в ловушке внутри этого кристалла», — рассказала Белл.

Прямоугольный циркон, расположенный в центре более крупного минерального конгломерата, добытого в Джек-Хиллз в Западной Австралии. Некоторые цирконы из Джек-Хиллз датируются возрастом 4,4 миллиарда лет, что делает их самой древней материей на Земле. Изображение: Nicholas Tailby

Мы не можем точно измерить содержание углекислого газа в атмосфере того времени. Но анализируя те эпохи, данные о которых мы технически способны получить, мы видим, что количество этого газа было весьма значительным. В январе 2020 года Оуэн Лемер, планетолог, в настоящее время работающий в Исследовательском центре Эймса в Калифорнии, и его коллеги опубликовали работу, посвящённую анализу состава метеоритов возрастом 2,7 миллиарда лет. Они обнаружили, что когда метеориты проходили сквозь нашу атмосферу, в их структуре сохранялись частицы её состава. Исследования показали, что она могла состоять из углекислого газа на 70% или даже более, по сравнению с 0,04% сегодня.

«В то время его действительно было много в атмосфере, — пояснил Лемер. — Добавление углекислого газа в наши расчёты, безусловно, способствует сохранению тепла на молодой Земле и предотвращению ледникового периода».

Когда наступает ледниковый период

Температура не всегда была такой приятной как сегодня. «В некоторые моменты истории термостат явно бы не справился со своей задачей», — сказал Феллнер. Около 2,4 миллиарда лет назад ледники доходили до экватора. «Мы считаем, что в это время у нас наступило первое событие из гипотезы “Земля-снежок”, — пояснил Андреас Пак, геохимик из Геттингенского университета. — Все океаны были заморожены и, вероятно, скрыты под несколькими сотнями метров льда». Учёные считают, что это произошло, когда из атмосферы было извлечено слишком много углекислого газа, поглощённого силикатными породами на суше и морском дне в процессе, называемом выветриванием горных пород, хотя точная причина всего этого неизвестна.

Дополнительный углекислый газ, образованный вулканами, возможно, позволил нашей планете обратить этот процесс вспять. Затем, около 2 миллиардов лет назад, Солнце стало достаточно ярким — примерно 80% от нынешнего значения — чтобы поддерживать воду в жидком виде. «В конце концов Солнце прогрелось достаточно, чтобы обеспечить необходимую инсоляцию», — объяснила Рену Малхотра, планетолог из Аризонского университета. Считается, что «Земля-снежок» появлялась и в другие периоды, примерно 700 и 635 миллионов лет назад. Извержения вулканов могли стать причиной как начала, так и конца каждого из них.

За последнее десятилетие расширенное моделирование углеродного цикла нашей планеты показало, что в начале истории Земли, возможно, требовалось меньше углекислого газа, чем когда-то думали исследователи. Усилению парникового эффекта могли способствовать и другие факторы, вроде производства метана живыми существами.

Рену Малхотра, планетолог из Аризонского университета. Фотография предоставлена ей самой.

В ноябре 2021 года Рене Хеллер из Института исследования Солнечной системы Общества Макса Планка и его коллеги предложили ещё один потенциальный источник тепла. Вскоре после образования Луны, она, вероятно, была в 15 раз ближе к Земле, чем сегодня. Её гравитация оказала бы на планету значительное влияние, создав огромные приливные волны, которые возвышались бы на 2 километра над поверхностью Земли, залитой магмой или же океанами жидкой воды. Луна бы также оказывала гравитационное воздействие и на внутреннюю часть Земли, вызывая экстремальный приливной нагрев, который повышал бы температуру планеты. Хотя одной Луны недостаточно, чтобы решить парадокс слабого молодого Солнца, она могла бы дать Земле жизненно важный импульс в течение первых 100–300 миллионов лет существования нашей планеты, повысив её температуру на несколько градусов и помогая стимулировать вулканическую активность на поверхности.

«Если мы добавим приливной нагрев, загадка станет чуть менее сложной, — сказал Хеллер. — Я думаю, что без него вся Земля превратилась бы в огромный кусок льда».

Преимущества слабого Солнца

Другое недавнее исследование предполагает, что слабое молодое Солнце могло быть вовсе не проблемой, а решением. Если бы оно имело от 92% до 95% своей нынешней светимости 4,5 миллиарда лет назад, Земля могла бы стать слишком горячей, что привело бы к безудержному парниковому эффекту с водяным паром, неспособным конденсироваться из атмосферы. «На Земле никогда бы не сформировались её первые океаны, — пояснил Мартин Тюрбе, астрофизик из Французского национального центра научных исследований. — Слабое молодое солнце могло быть необходимо для образования нужных условий для жизни на Земле». В своей работе, опубликованной в октябре, он смоделировал ранний климат Венеры, обнаружив, что планета никогда не была достаточно прохладной, чтобы поддерживать на поверхности жидкую воду, даже при более слабом Солнце. Если бы молодое Солнце не было столь слабым, наша планета могла бы разделить судьбу Венеры.

Предстоящие миссии к Венере, запланированные NASA и Европейским космическим агентством, могут как подтвердить, так и опровергнуть эту идею посредством поиска признаков древней воды. Если они ничего не найдут, возможно, нам стоит порадоваться. «Это преимущество слабого молодого Солнца, — добавил Кастинг. — Раскалённое светило выпарило бы океаны».

На поверхности Марса (вверху), запечатлённой марсоходом Perseverance, видны признаки существования древних озёр. С другой стороны, Венера (внизу) всегда была слишком горячей, чтобы жидкая вода могла конденсироваться из атмосферы. Изображения: NASA | JPL-Caltech | ASU | MSSS

Марс представляет собой более сложную загадку. Согласно новым данным марсохода NASA Perseverance, на поверхности планеты, по крайней мере 3,7 миллиарда лет назад, были реки и озёра. Непонятно, как это стало возможным на ещё большем расстоянии от Солнца.

«На Марсе головоломка усложняется, — пояснил Кирстен Зибах, планетолог из Университета Райса и член научной группы, руководившей несколькими роботизированными миссиями на Марс, включая Perseverance. — Древнему Марсу потребовался бы в два раза более сильный парниковый эффект, чем имеется сегодня на Земле». Образцы грунта, собранные марсоходом Perseverance, которые должны быть доставлены на Землю в 2030-х годах, помогут понять, возможно ли это.

Для планет в других системах проблема слабого молодого солнца ставит вопрос о наличие внеземной жизни. В декабре 2020 года Тиррелл подсчитал, что сохранение условий обитаемости Земли обусловлено, в основном, случайностью. Он создал компьютерную модель из 100 000 планет. Изначально все они считались обитаемыми. Затем он подверг каждую планету 100 симуляциям различных сценариев климатической обратной связи. Для 91% планет ни одна симуляция не сохранила их пригодными для жизни в течение геологической временной шкалы. «Успех Земли не был неизбежным результатом, а скорее случайным, — писал он. — Всё могло пойти по-любому сценарию». Таким образом, чтобы экзопланеты могли иметь потенциал для развития жизни, возможно, им необходимо обладать правильным набором самых различных характеристик — например, таких, какие есть у Земли.

Мы знаем, что жизнь под нашим слабым юным Солнцем была возможна, и теперь мы, вероятно, знаем почему. Мы начинаем понимать, насколько нам повезло, что наша планета избежала превращения в ледяную глыбу, и что на её поверхности не воцарился парниковый ад. Каким-то образом условия на Земле стали как раз такими, чтобы удерживать нас в этом узком промежутке между замерзанием и испарением в небытие и позволить нам выжить — несмотря на несколько довольно серьёзных катаклизмов. «Дискуссия о минимальных требованиях к экосистемам для возникновения жизни ведётся постоянно, — добавил Феллнер. — Даже на Земле всё очень легко могло пойти совершенно по другому пути».

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

33
Войдите, чтобы видеть ещё 2 комментария, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Любимый Дейв Боумэн
Вечность назад

Класна стаття, чудовий переклад!

Злой Дмитрий Олегович
Вечность назад

Поправьте тег, пожалуйста - это точно не оффтоп

Расточительный Питер Снепбек
Вечность назад

Дякуємо за переклад цікавої статті. 4.4 млрд років цирконій - ВАУ!

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.