Введение

Планетарная обитаемость – это мера потенциала планеты или естественного спутника к развитию и поддержанию среды, благоприятной для жизни. Жизнь может зарождаться непосредственно на планете или спутнике эндогенно или переноситься на неё из другого тела посредством гипотетического процесса, известного как панспермия. Для того чтобы среда считалась обитаемой, она не обязательно должна содержать жизнь, и признанные обитаемые зоны (HZ) – не единственные области, где жизнь может возникнуть. Поскольку существование жизни за пределами Земли неизвестно, планетарная обитаемость в значительной степени является экстраполяцией условий на Земле и характеристик Солнца и Солнечной системы, которые представляются благоприятными для процветания жизни. Особый интерес представляют факторы, поддерживавшие на Земле сложные многоклеточные организмы, а не только более простые одноклеточные существа. Исследования и теории в этой области являются частью ряда естественных наук, таких как астрономия, планетология и развивающаяся дисциплина астробиология. Абсолютным требованием для жизни является источник энергии, а понятие планетарной обитаемости подразумевает, что для поддержания жизни на астрономическом теле необходимо выполнение множества других геофизических, геохимических и астрофизических критериев. В своей дорожной карте астробиологии NASA определило основные критерии обитаемости как "обширные области жидкой воды". В августе 2018 года исследователи сообщили, что водные миры могут поддерживать жизнь. Показатели обитаемости и биосигнатуры должны интерпретироваться в планетарном и экологическом контексте. Конец 20-го века ознаменовался двумя прорывами в этой области. Наблюдения и исследования роботизированными космическими аппаратами других планет и спутников в Солнечной системе предоставили важную информацию для определения критериев обитаемости и позволили провести существенные геофизические сравнения Земли с другими телами. Открытие экзопланет, начавшееся в начале 1990-х годов и ускорившееся впоследствии, предоставило дополнительную информацию для изучения возможной внеземной жизни. Эти открытия подтверждают, что Солнце не уникально среди звёзд в планетарном отношении и расширяют горизонт исследований обитаемости за пределы Солнечной системы.

Сравнение обитаемости Земли

Хотя Земля – единственное известное место во Вселенной, где существует жизнь, оценки обитаемых зон вокруг других звёзд, а также открытие тысяч экзопланет и новые сведения об экстремальных средах обитания на Земле, где живут организмы, известные как экстремофилы, позволяют предположить, что во Вселенной может быть гораздо больше пригодных для жизни мест, чем считалось до недавнего времени. 4 ноября 2013 года астрономы, основываясь на данных космической миссии «Кеплер», сообщили, что в обитаемых зонах звёзд, подобных Солнцу, и красных карликов в нашей Галактике может находиться до 40 миллиардов планет размером с Землю. По оценкам, 11 миллиардов из этих планет могут вращаться вокруг звёзд, подобных Солнцу. По мнению учёных, ближайшая из таких планет может находиться на расстоянии 12 световых лет. В августе 2021 года был открыт новый класс обитаемых планет, названных океаническими планетами, представляющими собой «горячие планеты, покрытые океаном и обладающие атмосферами, богатыми водородом». Планеты типа Гисея могут быть в ближайшее время изучены на предмет наличия биосигнатур как наземными, так и космическими телескопами, такими как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запущенный 25 декабря 2021 года.

Подходящие звездные системы

Понимание планетарной обитаемости начинается с изучения звезды-хозяина. Классическая обитаемая зона (HZ) определяется только для условий на поверхности; однако метаболизм, не зависящий от звездного света, все еще может существовать за пределами HZ, процветая в недрах планеты, где доступна жидкая вода. Согласно исследованию, опубликованному в августе 2015 года, очень большие галактики могут быть более благоприятными для формирования и развития обитаемых планет, чем меньшие галактики, такие как галактика Млечный Путь. Однако вопрос о том, что делает планету обитаемой, гораздо сложнее, чем простое расположение планеты на правильном расстоянии от ее звезды-хозяина, чтобы вода могла находиться в жидком состоянии на ее поверхности: различные геофизические и геодинамические аспекты, излучение и плазменная среда звезды-хозяина могут влиять на эволюцию планет и жизни, если она возникла. Это необходимое, но недостаточное условие для жизни, как мы ее знаем, поскольку обитаемость является функцией множества параметров окружающей среды. Они излучают достаточно высокочастотного ультрафиолетового излучения для запуска важных атмосферных процессов, таких как образование озона, но не настолько много, чтобы ионизация уничтожала зарождающуюся жизнь. Они излучают достаточное количество радиации на длинах волн, способствующих фотосинтезу. Жидкая вода может существовать на поверхности планет, вращающихся вокруг них на расстоянии, не вызывающем приливной захват. Звезды типа K могут поддерживать жизнь значительно дольше, чем Солнце. Являются ли более тусклые поздние красные карлики класса K и M также подходящими хозяевами для обитаемых планет – возможно, самый важный открытый вопрос во всей области планетарной обитаемости, учитывая их распространенность (обитаемость систем красных карликов). Gliese 581 c, "супер-Земля", была обнаружена на орбите в "обитаемой зоне" (HZ) красного карлика и может содержать жидкую воду. Однако также возможно, что парниковый эффект может сделать ее слишком горячей для поддержания жизни, в то время как ее сосед, Gliese 581 d, может быть более вероятным кандидатом на обитаемость. В сентябре 2010 года было объявлено об открытии еще одной планеты, Gliese 581 g, на орбите между этими двумя планетами. Однако последующие исследования поставили под сомнение существование этой планеты, и она была классифицирована как "не подтвержденная". В сентябре 2012 года было объявлено об открытии двух планет, вращающихся вокруг Gliese 163. Одна из планет, Gliese 163 c, примерно в 6,9 раза массивнее Земли и несколько горячее, считалась находящейся в пределах обитаемой зоны. Исследование 2020 года показало, что около половины звезд, подобных Солнцу, могут иметь скалистые, потенциально обитаемые планеты. В частности, они оценили, что в среднем ближайшая планета обитаемой зоны вокруг звезд типа G и K находится примерно в 6 парсеках, а вокруг звезд типа G и K в пределах 10 парсеков (32,6 световых лет) от Солнца находится около 4 скалистых планет.

Стабильная обитаемая зона

Жилая зона (HZ) — это область пространства в форме оболочки, окружающая звезду, в которой планета может поддерживать жидкую воду на своей поверхности.

Внутренний край HZ — это расстояние, на котором неуправляемый парниковый эффект испарит весь запас воды и, как вторичный эффект, вызовет фотодиссоциацию водяного пара и потерю водорода в космос. Внешний край HZ — это расстояние от звезды, на котором даже максимальный парниковый эффект не способен поддерживать температуру поверхности планеты выше точки замерзания из-за конденсации. Кроме того, в HZ или вблизи неё не должно находиться массивное тело, такое как газовый гигант, которое могло бы нарушить формирование тел размером с Землю. Например, вещество в поясе астероидов, по-видимому, не смогло аккрецировать в планету из-за орбитальных резонансов с Юпитером; если бы этот гигант сформировался в области между нынешними орбитами Венеры и Марса, Земля, вероятно, не развилась бы в своём нынешнем виде. Однако газовый гигант внутри HZ может иметь обитаемые спутники при подходящих условиях.

Низкая звездная изменчивость

Изменения в светимости характерны для всех звезд, но величина этих колебаний варьируется в широких пределах. Большинство звезд относительно стабильны, однако значительная часть переменных звезд часто испытывает внезапные и резкие увеличения светимости и, как следствие, количества энергии, излучаемой на обращающиеся вокруг них тела. Такие звезды считаются неподходящими для существования планет, способных поддерживать жизнь, поскольку их непредсказуемость и изменения в энергетическом выходе могут негативно повлиять на организмы: живые существа, адаптированные к определенному температурному диапазону, не смогут пережить слишком большие температурные колебания. Более того, всплески светимости обычно сопровождаются мощными дозами гамма- и рентгеновского излучения, которые могут оказаться смертельными. Атмосфера смягчает эти воздействия, но планеты, вращающиеся вокруг переменных звезд, могут не удержать свою атмосферу, поскольку высокоэнергетическое излучение, воздействующее на них, будет постоянно лишать их защитной оболочки. Солнце, в этом и во многих других аспектах, относительно безопасно: разница между его максимальной и минимальной энергетической активностью составляет около 0,1% в течение его 11-летнего солнечного цикла. Существуют веские (хотя и не бесспорные) доказательства того, что даже незначительные изменения светимости Солнца оказали значительное влияние на климат Земли в исторический период: например, Малый ледниковый период в середине второго тысячелетия мог быть вызван относительно длительным снижением светимости Солнца. Таким образом, звезда не обязательно должна быть истинной переменной, чтобы различия в светимости влияли на обитаемость. Среди известных солнечных аналогов, 18 Scorpii считается наиболее похожей на Солнце; к сожалению, для перспектив существования жизни вблизи нее, единственное существенное различие между этими двумя звездами – амплитуда солнечного цикла, которая, по-видимому, значительно больше для 18 Scorpii.

Высокая металличность

Хотя основная часть вещества любой звезды состоит из водорода и гелия, наблюдается значительная вариация в количестве более тяжелых элементов (металлов). Высокая доля металлов в звезде коррелирует с количеством тяжелых элементов, изначально доступных в протопланетарном диске. Небольшое количество металлов значительно снижает вероятность образования планет, согласно теории солнечной туманности формирования планетарных систем. Любые планеты, сформировавшиеся вокруг звезды с низким содержанием металлов, вероятно, будут иметь небольшую массу и, следовательно, будут менее благоприятными для жизни. Спектроскопические исследования систем, в которых на сегодняшний день обнаружены экзопланеты, подтверждают взаимосвязь между высоким содержанием металлов и формированием планет: «Звезды с планетами, или, по крайней мере, с планетами, подобными тем, которые мы обнаруживаем сегодня, явно богаче металлами, чем звезды без планетных компаньонов». Эта взаимосвязь между высокой металличностью и формированием планет также означает, что обитаемые системы с большей вероятностью будут найдены вокруг звезд более молодых поколений, поскольку звезды, образовавшиеся на ранних этапах истории Вселенной, имеют низкое содержание металлов.

Планетарные характеристики

Индикаторы обитаемости и биосигнатуры должны интерпретироваться в планетарном и экологическом контексте. Природные спутники гигантских планет, тем временем, остаются перспективными кандидатами на наличие жизни. Шесть из этих кандидатов в этой зоне имеют размер менее чем в два раза больше Земли. На основании этих данных команда "Кеплер" оценила, что в Млечном Пути существует "не менее 50 миллиардов планет", из которых "не менее 500 миллионов" находятся в зоне обитаемости. При анализе того, какие среды способны поддерживать жизнь, обычно различают простые одноклеточные организмы, такие как бактерии и археи, и сложные многоклеточные (животные). Одноклеточность неизбежно предшествует многоклеточности в любом гипотетическом дереве жизни, и появление одноклеточных организмов не гарантирует дальнейшего развития большей сложности. Перечисленные ниже планетарные характеристики считаются критически важными для жизни в целом, однако многоклеточные организмы в каждом случае предъявляют более строгие требования, чем одноклеточные.

Геология

Концентрация радионуклидов в мантиях скалистых планет может быть критически важна для обитаемости планет, подобных Земле. Планеты с более высоким содержанием радионуклидов, вероятно, не будут поддерживать устойчивое динамо на протяжении значительной части своего существования, а планеты с более низким содержанием могут часто быть геологически неактивными. Планетарные динамо создают мощные магнитные поля, которые часто необходимы для возникновения или поддержания жизни, поскольку они защищают планеты от солнечного ветра и космического излучения. Электромагнитные спектры излучения звезд можно использовать для выявления тех, которые с большей вероятностью могут быть домом для обитаемых планет, подобных Земле. По состоянию на 2020 год считается, что радионуклиды образуются в результате редких звёздных процессов, таких как слияние нейтронных звёзд. Дополнительные геологические характеристики могут быть существенными или основными факторами, определяющими обитаемость естественных небесных тел, в том числе те, которые формируют тепло и магнитное поле этих тел. Некоторые из этих характеристик остаются неизвестными или недостаточно изученными и являются предметом исследований планетологов, геохимиков и других специалистов.

Геохимия

Как правило, предполагается, что любая внеземная жизнь, которая может существовать, будет основана на той же фундаментальной биохимии, что и на Земле, поскольку четыре элемента, наиболее важных для жизни – углерод, водород, кислород и азот – также являются наиболее распространенными химически реактивными элементами во Вселенной. Действительно, простые биогенные соединения, такие как очень простые аминокислоты, например глицин, были обнаружены в метеоритах и в межзвездной среде. Эти четыре элемента вместе составляют более 96% коллективной биомассы Земли. Углерод обладает непревзойденной способностью образовывать связи с самим собой и формировать огромное множество сложных и разнообразных структур, что делает его идеальным материалом для сложных механизмов, составляющих живые клетки. Водород и кислород в форме воды составляют растворитель, в котором происходят биологические процессы и в котором произошли первые реакции, приведшие к возникновению жизни. Энергия, высвобождаемая при образовании мощных ковалентных связей между углеродом и кислородом, доступная при окислении органических соединений, является топливом для всех сложных форм жизни. Эти четыре элемента вместе образуют аминокислоты, которые, в свою очередь, являются строительными блоками белков – вещества живых тканей. Кроме того, сера (необходимая для построения белков) и фосфор (необходимый для образования ДНК, РНК и аденозинфосфатов, необходимых для метаболизма) также не являются редкими элементами. Относительное изобилие в космосе не всегда отражает дифференцированное изобилие внутри планет; из четырех элементов жизни, например, только кислород присутствует в заметных количествах в земной коре. Это частично объясняется тем, что многие из этих элементов, такие как водород и азот, а также их простейшие и наиболее распространенные соединения, такие как углекислый газ, оксид углерода, метан, аммиак и вода, находятся в газообразном состоянии при теплых температурах. В горячей области вблизи Солнца эти летучие соединения не могли играть значительной роли в геологическом формировании планет. Вместо этого они были захвачены в виде газов под новообразованными корами, которые в основном состояли из каменистых, нелетучих соединений, таких как кремнезем (соединение кремния и кислорода, объясняющее относительное обилие кислорода). Выброс летучих соединений через первые вулканы способствовал формированию атмосфер планет. Эксперимент Миллера – Юри показал, что при воздействии энергии простые неорганические соединения, подвергнутые воздействию первичной атмосферы, могут реагировать и синтезировать аминокислоты. Тем не менее, вулканический выброс газов не мог объяснить количество воды в океанах Земли. Подавляющее большинство воды – и, возможно, углерода – необходимого для жизни, должно было прийти из внешней Солнечной системы, вдали от солнечного тепла, где оно могло оставаться в твердом состоянии. Кометы, столкнувшиеся с Землей в ранние годы Солнечной системы, должны были отложить огромное количество воды, наряду с другими летучими соединениями, необходимыми для жизни, на раннюю Землю, дав толчок к возникновению жизни. Таким образом, хотя есть основания полагать, что четыре «элемента жизни» должны быть легко доступны в других местах, для обитаемой системы, вероятно, также требуется наличие долгосрочно обращающихся тел для засева внутренних планет. Без комет существует вероятность того, что жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы на Земле.

Микросреды и экстремофилы

Одним из важных уточнений к критериям обитаемости является то, что для поддержания жизни требуется лишь небольшая часть планеты – так называемый «край Златовласки» или «Великое пребиотическое пятно». Астробиологи часто изучают «микросреды», отмечая, что «нам не хватает фундаментального понимания того, как эволюционные силы, такие как мутация, отбор и генетический дрейф, действуют в микроорганизмах, которые воздействуют на изменяющиеся микросреды и реагируют на них». Экстремофилы – это земные организмы, обитающие в нишевых средах в экстремальных условиях, обычно считающихся неблагоприятными для жизни. Как правило (хотя и не всегда) одноклеточные, экстремофилы включают в себя ярко выраженных алкалифилов и ацидофилов, а также организмы, способные выживать при температуре воды выше 100 °C в гидротермальных источниках. Открытие жизни в экстремальных условиях усложнило определения обитаемости, но также вызвало большой интерес у исследователей, значительно расширив известные пределы условий, в которых может существовать жизнь. Например, планета, которая в иных условиях не смогла бы удержать атмосферу из-за солнечной активности в ее окрестностях, может сделать это в глубоком затененном разломе или вулканической пещере. Аналогично, кратерная местность может служить убежищем для примитивных форм жизни. Кратер Лаун-Хилл изучался как астробиологический аналог, и исследователи предполагают, что быстрое накопление осадочных пород создало защищенную микросреду для микробных организмов; подобные условия могли существовать в геологической истории Марса. Земные среды, не способные поддерживать жизнь, также представляют интерес для астробиологов при определении пределов выживаемости организмов. Центральная часть пустыни Атакама, обычно считающаяся самым сухим местом на Земле, по-видимому, не поддерживает жизнь, и поэтому она изучается НАСА и ЕКА: она служит аналогом Марса, а градиенты влажности по ее краям идеально подходят для изучения границы между стерильностью и обитаемостью. В 2003 году в Атакаме были проведены исследования, частично воспроизводящие эксперименты, выполненные во время посадок аппаратов «Викинг» на Марс в 1970-х годах; из двух образцов почвы не удалось выделить ДНК, а эксперименты по инкубации также не выявили биосигнатур.

Альтернативные звездные системы

Чтобы определить возможность существования внеземной жизни, астрономы долгое время сосредотачивали внимание на звездах, подобных Солнцу. Однако, поскольку планетарные системы, напоминающие Солнечную, оказываются нечастыми, они приступили к изучению возможности формирования жизни в системах, сильно отличающихся от Солнечной. Предполагается, что звезды типов F, G, K и M могут обладать обитаемыми экзопланетами. Исследования с использованием данных космического телескопа "Кеплер" НАСА показывают, что примерно половина звезд, сопоставимых по температуре с Солнцем, может иметь каменистую планету, способную поддерживать жидкую воду на своей поверхности.

Двойные системы

Типичные оценки часто указывают на то, что 50% или более всех звездных систем являются двойными системами. Это может быть частично связано со смещением выборки, поскольку массивные и яркие звезды чаще встречаются в двойных системах, и их легче наблюдать и каталогизировать; более точный анализ показал, что более распространенные тусклые звезды обычно одиночны, и, следовательно, до двух третей всех звездных систем являются одиночными. Расстояние между звездами в двойной системе может варьироваться от менее одной астрономической единицы (а.е., среднее расстояние Земля – Солнце) до нескольких сотен. В последних случаях гравитационное воздействие на планету, вращающуюся вокруг подходящей звезды, будет незначительным, и потенциал обитаемости не будет нарушен, если орбита не слишком эксцентрична (например, как в случае Немезиды). Однако, при значительно меньшем расстоянии стабильная орбита может быть невозможна. Если расстояние планеты до основной звезды превышает примерно одну пятую от минимального расстояния до другой звезды, орбитальная стабильность не гарантируется. Долгое время оставалось неясным, могут ли планеты вообще формироваться в двойных системах, учитывая, что гравитационные силы могут препятствовать формированию планет. Теоретические работы Алана Босса из Института Карнеги показали, что газовые гиганты могут формироваться вокруг звезд в двойных системах так же, как и вокруг одиночных звезд. Одно исследование системы Альфа Центавра, ближайшей к Солнцу звездной системы, показало, что двойные системы не следует исключать из поиска обитаемых планет. Центавр А и Центавр В находятся на расстоянии 11 а.е. при минимальном сближении (среднее 23 а.е.), и у обеих должны быть стабильные обитаемые зоны. Исследование долгосрочной орбитальной стабильности смоделированных планет в системе показало, что планеты в пределах примерно трех а.е. от любой звезды могут оставаться достаточно стабильными (то есть большая полуось отклоняется менее чем на 5% в течение 32 000 двойных периодов). Непрерывная обитаемая зона (CHZ в течение 4,5 миллиардов лет) для Центавра А консервативно оценивается в 1,2–1,3 а.е., а для Центавра В – в 0,73–0,74 а.е., что в обоих случаях находится в пределах стабильной области.

Красные карликовые системы

Звезды типа М также рассматриваются как потенциальные хозяева обитаемых экзопланет, даже такие, как Проксима b, подверженные вспышкам. Определение обитаемости красных карликов может помочь оценить, насколько распространена жизнь во Вселенной, поскольку красные карлики составляют от 70 до 90% всех звёзд в галактике. Однако важно учитывать, что вспышки на этих звёздах могут существенно снизить обитаемость экзопланет, разрушая их атмосферы.

Размер

Астрономы на протяжении многих лет исключали красные карлики из числа потенциальных мест обитания жизни. Их небольшой размер (от 0,08 до 0,45 солнечных масс) означает, что ядерные реакции в них протекают исключительно медленно, и они излучают очень мало света (от 3% от излучения Солнца до всего 0,01%). Любая планета на орбите вокруг красного карлика должна была бы находиться очень близко к своей звезде, чтобы иметь температуру поверхности, сравнимую с земной; от 0,3 а. е. (несколько внутри орбиты Меркурия) для звезды, подобной Лакайль 8760, до 0,032 а. е. для звезды, подобной Проксиме Центавра (год на такой планете длился бы всего 6,3 дня). На таких расстояниях гравитация звезды привела бы к приливной блокировке: одна сторона планеты была бы вечно обращена к звезде, а другая – всегда от нее. Единственными способами для потенциальной жизни избежать либо пекла, либо глубокой заморозки было бы наличие у планеты атмосферы, достаточно плотной для переноса тепла звезды с дневной стороны на ночную, или наличие газового гиганта в обитаемой зоне с обитаемой луной, зафиксированной относительно планеты, а не звезды, что обеспечило бы более равномерное распределение излучения по луне. Долгое время считалось, что такая плотная атмосфера вообще не пропустит солнечный свет к поверхности, препятствуя фотосинтезу. Однако этот пессимизм был смягчен результатами исследований. Исследования Роберта Хаберле и Маноджа Джоши из Исследовательского центра NASA в Эймсе (Калифорния) показали, что атмосфера планеты (при условии содержания в ней парниковых газов CO2 и H2O) должна быть лишь , чтобы тепло звезды эффективно переносилось на ночную сторону. Это вполне соответствует уровням, необходимым для фотосинтеза, хотя в некоторых их моделях вода все равно оставалась бы замерзшей на темной стороне. Мартин Хит из Гринвичского колледжа показал, что морская вода также могла бы эффективно циркулировать, не замерзая, если океанические бассейны были бы достаточно глубокими, чтобы обеспечить свободное течение под ледяной шапкой ночной стороны. Дальнейшие исследования, включая учет количества фотосинтетически активного излучения, показали, что планеты, находящиеся в состоянии приливной блокировки в системах красных карликов, могут быть, по крайней мере, пригодны для обитания высших растений.

Другие факторы, ограничивающие обитаемость

Однако размер красных карликов – не единственный фактор, делающий их потенциально непригодными для жизни. На планете, обращающейся вокруг красного карлика, фотосинтез на ночной стороне был бы невозможен, поскольку она никогда не увидит Солнце. На дневной стороне, из-за того, что Солнце не восходит и не заходит, области в тени гор останутся в темноте навсегда. Фотосинтез в том виде, в котором мы его понимаем, был бы осложнен тем, что красный карлик излучает большую часть энергии в инфракрасном диапазоне, в то время как на Земле этот процесс зависит от видимого света. В этом сценарии есть и потенциальные преимущества. Многие наземные экосистемы полагаются на хемосинтез, а не на фотосинтез, что было бы возможно в системе красного карлика. Стационарное положение центральной звезды устраняет необходимость для растений поворачивать листья к Солнцу, приспосабливаться к меняющимся узорам света и тени или переключаться с фотосинтеза на использование накопленной энергии ночью. Отсутствие смены дня и ночи, включая слабый свет утренних и вечерних часов, означает, что при заданном уровне излучения доступно гораздо больше энергии. Красные карлики гораздо более переменчивы и активны, чем их более стабильные и крупные аналоги. Часто они покрыты звездными пятнами, которые могут уменьшать их светимость до 40% на несколько месяцев, а в другое время испускают гигантские вспышки, удваивающие их яркость за считанные минуты. Такие колебания были бы крайне разрушительны для жизни, поскольку они не только уничтожили бы любые сложные органические молекулы, которые могли бы стать предшественниками биологических структур, но и сбросили бы значительные объемы атмосферы планеты. Чтобы планета вокруг красного карлика могла поддерживать жизнь, ей необходимо быстро вращающееся магнитное поле для защиты от вспышек. Планета, находящаяся в состоянии приливной блокировки, вращается очень медленно и, следовательно, не может генерировать геодинамо в своем ядре. Период бурной активности красных карликов, по оценкам, длится около первых 1,2 миллиарда лет их существования. Если планета формируется достаточно далеко от красного карлика, чтобы избежать приливной блокировки, а затем мигрирует в обитаемую зону звезды после этого турбулентного начального периода, у жизни может появиться шанс на развитие. Однако наблюдения за звездой Барнарда, возраст которой составляет от 7 до 12 миллиардов лет, показывают, что даже старые красные карлики могут проявлять значительную вспышечную активность. Звезда Барнарда долгое время считалась малоактивной, но в 1998 году астрономы зафиксировали мощную звездную вспышку, подтвердив, что это вспыхивающая звезда.

Долголетие и повсеместность

Красные карлики обладают одним преимуществом перед другими звездами как потенциальными обителями жизни: значительно большее долголетие. На Земле человечество появилось через 4,5 миллиарда лет, и жизнь в том виде, в котором мы её знаем, сможет существовать в подходящих условиях ещё от 1 до 2,3 миллиарда лет. Красные карлики, напротив, могут жить триллионы лет, поскольку их ядерные реакции протекают гораздо медленнее, чем у звёзд большего размера, что означает, что жизнь будет иметь больше времени для эволюции и выживания. Хотя вероятность обнаружения планеты в обитаемой зоне вокруг конкретного красного карлика невелика, суммарная площадь обитаемой зоны вокруг всех красных карликов в совокупности равна суммарной площади вокруг звёзд, подобных Солнцу, учитывая их распространённость. Более того, эта суммарная площадь обитаемой зоны сохранится дольше, поскольку красные карлики живут сотни миллиардов лет и даже дольше на главной последовательности. Однако, учитывая вышеперечисленные особенности, более вероятно, что красные карлики дольше останутся пригодными для жизни микробам, в то время как звёзды жёлтого карлика, такие как Солнце, дольше останутся пригодными для жизни животным.

Звездные системы типа G

Звезды типа G могли бы быть носителями экзопланет, наиболее похожих на Землю, то есть планет, подобных Земле.

Звездные системы типа К

Звезды типа К обеспечат необходимые условия для суперобитаемых экзопланет – экзопланет, которые могут быть более пригодными для жизни, чем Земля.

Массивные звезды

Недавние исследования показывают, что очень массивные звезды, превышающие ~100 солнечных масс, могут обладать планетарными системами, состоящими из сотен планет размером с Меркурий, находящихся в обитаемой зоне. Такие системы также могут включать коричневых карликов и маломассивные звезды (~0,1–0,3 солнечных масс). Однако, чрезвычайно короткий срок жизни звезд, масса которых превышает несколько солнечных масс, вряд ли позволит планете остыть, не говоря уже о времени, необходимом для формирования стабильной биосферы. Таким образом, массивные звезды исключаются из числа возможных мест обитания жизни. Тем не менее, массивная звездная система может стать источником жизни иным способом – посредством взрыва сверхновой массивной звезды в центральной части системы. Эта сверхновая рассеет более тяжелые элементы в окружающем пространстве, образовавшиеся на стадии, когда массивная звезда сошла с главной последовательности, и системы потенциальных маломассивных звезд (которые все еще находятся на главной последовательности) в пределах прежней массивной звездной системы могут быть обогащены относительно большим количеством тяжелых элементов, находящихся вблизи места взрыва сверхновой. Однако, это не дает информации о том, какие типы планет могут сформироваться из вещества, выброшенного сверхновой, и каков будет их потенциал обитаемости.

Четыре класса обитаемых планет на основе воды

В обзоре факторов, важных для эволюции обитаемых планет размером с Землю, Lammer и др. предложили классификацию четырех типов местообитаний, зависящих от наличия воды:

Местообитания класса I – это планетарные тела, на которых звездные и геофизические условия позволяют существовать жидкой воде на поверхности вместе с солнечным светом, что создает возможность для возникновения сложных многоклеточных организмов. Местообитания класса II включают тела, которые изначально обладают условиями, схожими с земными, но теряют способность поддерживать жидкую воду на поверхности из-за звездных или геофизических факторов. Марс и, возможно, Венера являются примерами этого класса, где развитие сложных форм жизни маловероятно. Местообитания класса III – это планетарные тела, где под поверхностью существуют океаны жидкой воды, непосредственно взаимодействующие с богатым силикатами ядром. Подобная ситуация может возникать на планетах, богатых водой, расположенных слишком далеко от своей звезды для существования поверхностной жидкой воды, но где подземная вода остается в жидком состоянии благодаря геотермальному теплу. Европа и Энцелад – два примера таких сред. В таких мирах свет не только недоступен как источник энергии, но и органические вещества, доставленные метеоритами (которые, как считается, могли быть необходимы для зарождения жизни в некоторых сценариях), могут с трудом достигать жидкой воды. Если планета способна поддерживать жизнь только под поверхностью, ее биосфера вряд ли существенно изменит всю планетарную среду, что сделает обнаружение ее присутствия на экзопланете крайне сложным. Местообитания класса IV характеризуются наличием слоев жидкой воды между двумя слоями льда или жидкостью, расположенной над льдом. Если слой воды достаточно толстый, вода у основания будет находиться в твердом состоянии (в виде ледяных полиморфов) из-за высокого давления. Ганимед и Каллисто, вероятно, являются примерами этого класса. Считается, что их океаны заключены между толстыми слоями льда. В таких условиях возникновение даже простейших форм жизни может быть очень затруднено, поскольку необходимые для жизни компоненты, вероятно, будут сильно разбавлены.

Галактическое соседство

Наряду с характеристиками планет и их звездных систем, более широкая галактическая среда также может влиять на обитаемость. Ученые рассматривали возможность того, что определенные области галактик (галактические обитаемые зоны) лучше подходят для жизни, чем другие; Солнечная система, расположенная в рукаве Ориона на краю галактики Млечный Путь, считается благоприятным местом для жизни: она не находится в шаровом скоплении, где огромная плотность звезд губительна для жизни из-за чрезмерного излучения и гравитационных возмущений. Шаровые скопления также в основном состоят из старых, вероятно, бедных металлами звезд. Более того, в шаровых скоплениях большой возраст звезд означает значительную эволюцию как самой звезды, так и близлежащих звезд, которые из-за своей близости могут нанести серьезный вред жизни на потенциальных планетах. Она не находится рядом с активным источником гамма-излучения. Она не находится вблизи галактического центра, где высокая плотность звезд увеличивает вероятность ионизирующего излучения (например, от магнетаров и сверхновых). Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик также могут представлять опасность для находящихся поблизости объектов. Круговая орбита Солнца вокруг галактического центра позволяет избежать спиральных рукавов галактики, где интенсивное излучение и гравитация могут привести к разрушению. Таким образом, относительная изоляция – это то, что необходимо жизнеспособной системе. Если бы Солнце было окружено другими системами, значительно возросла бы вероятность оказаться смертельно близко к опасным источникам излучения. Кроме того, близкие соседи могут нарушить стабильность различных объектов на орбите, таких как облако Оорта и объекты пояса Койпера, что может привести к катастрофе, если они будут выброшены во внутреннюю Солнечную систему. Хотя высокая плотность звезд неблагоприятна для обитаемости, чрезмерная изоляция также вредна. Звезда, богатая металлами, как Солнце, вряд ли сформировалась бы в самых отдаленных регионах Млечного Пути из-за снижения относительного содержания металлов и общего недостатка звездообразования. Таким образом, "пригородное" расположение, как у Солнечной системы, предпочтительнее центра Галактики или ее самых отдаленных областей.

Альтернативная биохимия

В то время как большинство исследований внеземной жизни начинаются с предположения, что развитые формы жизни должны иметь схожие требования к жизни, как и на Земле, гипотеза о других типах биохимии предполагает возможность эволюции форм жизни, основанных на ином метаболическом механизме. В книге «Эволюция инопланетян» биолог Джек Коэн и математик Иэн Стюарт утверждают, что астробиология, основанная на гипотезе о редкой Земле, является ограничивающей и недостаточно воображаемой. Они предполагают, что планеты, подобные Земле, могут быть очень редки, но сложная жизнь, не основанная на углероде, вполне может возникнуть в других условиях. Наиболее часто упоминаемой альтернативой углероду является жизнь на основе кремния, а аммиак и углеводороды иногда рассматриваются как альтернативные растворители вместо воды. Астробиолог Дирк Шульце-Макух и другие ученые предложили индекс обитаемости планет, критерии которого включают «потенциал для поддержания жидкого растворителя», не обязательно ограниченного водой. Более спекулятивные идеи сосредоточены на объектах, совершенно отличных от Земли, таких как планеты. Астроном Фрэнк Дрейк, известный сторонник поиска внеземной жизни, представил жизнь на нейтронной звезде: субмикроскопические «ядерные молекулы», объединяющиеся в существа с жизненным циклом, в миллионы раз более быстрым, чем у земных организмов. Эта идея, названная «фантастической и шутливой», породила научную фантастику. Карл Саган, еще один оптимист в отношении внеземной жизни, в статье 1976 года рассматривал возможность существования организмов, постоянно находящихся в верхних слоях атмосферы Юпитера. Коэн и Стюарт также представили жизнь как в солнечной среде, так и в атмосфере газового гиганта.

"Хорошие Юпитеры"

"Хорошие Юпитеры" – это газовые гиганты, подобные Юпитеру в Солнечной системе, которые вращаются вокруг своих звёзд по почти круговым орбитам, достаточно далеко от обитаемой зоны, чтобы не нарушать её, но достаточно близко, чтобы "защищать" земные планеты на более близких орбитах двумя ключевыми способами. Во-первых, они помогают стабилизировать орбиты и, следовательно, климат внутренних планет. Во-вторых, они поддерживают внутреннюю звездную систему относительно свободной от комет и астероидов, которые могли бы вызвать катастрофические столкновения. Юпитер обращается вокруг Солнца примерно в пять раз дальше, чем Земля. Именно на таком расстоянии мы и должны ожидать обнаружить "хорошие Юпитеры" в других системах. "Охранительская" роль Юпитера ярко проявилась в 1994 году, когда с ним столкнулась комета Шумейкера — Леви 9. Однако доказательства не столь однозначны. Исследования показали, что роль Юпитера в определении частоты падения объектов на Землю значительно сложнее, чем считалось ранее. Роль Юпитера в ранней истории Солнечной системы установлена несколько лучше и вызывает меньше споров. В начале истории Солнечной системы Юпитер, как принято считать, сыграл важную роль в гидратации нашей планеты: он увеличил эксцентриситет орбит пояса астероидов, позволив многим из них пересечь орбиту Земли и снабдить её важными летучими веществами, такими как вода и углекислый газ. До того, как Земля достигла половины своей нынешней массы, ледяные тела из области Юпитера и Сатурна, а также небольшие тела из первичного пояса астероидов поставляли воду на Землю благодаря гравитационному рассеянию, вызванному Юпитером и, в меньшей степени, Сатурном. Таким образом, хотя газовые гиганты сейчас служат полезными защитниками, когда-то они были поставщиками критически важного для обитаемости материала. Напротив, объекты размером с Юпитер, вращающиеся слишком близко к обитаемой зоне, но вне её (как в системе 47 Ursae Majoris), или имеющие сильно вытянутую орбиту, пересекающую обитаемую зону (как у 16 Cygni B), существенно затрудняют существование в системе планеты, подобной Земле. См. обсуждение стабильной обитаемой зоны выше. Однако в процессе миграции в обитаемую зону планета размером с Юпитер может захватить земную планету в качестве спутника. Даже если такая планета изначально слабо связана и движется по сильно наклоненной орбите, гравитационное взаимодействие со звездой может стабилизировать новый спутник на близкой круговой орбите, лежащей в одной плоскости с орбитой планеты вокруг звезды.

Влияние жизни на обитаемость

Дополнительно к факторам, способствующим возникновению жизни, следует учитывать, что сама жизнь, однажды возникнув, становится фактором обитаемости. Важным примером на Земле является выработка молекулярного кислорода древними цианобактериями и, впоследствии, фотосинтезирующими растениями, что привело к радикальному изменению состава атмосферы Земли. Это изменение окружающей среды называется Великим окислительным событием. Этот кислород оказался основополагающим для дыхания более поздних видов животных. Гипотеза Гайи, научная модель геобиосферы, предложенная Джеймсом Лавлоком в 1975 году, утверждает, что жизнь в целом создает и поддерживает условия, благоприятные для своего существования, способствуя формированию планетарной среды, подходящей для её непрерывности. Подобным образом, Дэвид Гринспун выдвинул "гипотезу живых миров", согласно которой наше понимание обитаемости неразрывно связано с жизнью, уже существующей на планете. Планеты, проявляющие геологическую и метеорологическую активность, гораздо вероятнее будут также биологически населены, и "планета и жизнь будут коэволюционировать". Это является основой науки о Земной системе.

Роль случая

В 2020 году компьютерное моделирование эволюции климатов планет в течение 3 миллиардов лет показало, что обратные связи необходимы, но недостаточны для предотвращения ситуаций, когда планеты становятся слишком горячими или слишком холодными для поддержания жизни, и что случайность также играет важную роль. К смежным вопросам относятся пока неизвестные факторы, влияющие на тепловую обитаемость планет, такие как "механизм (или механизмы) обратной связи, предотвращающий выход климата за пределы температур, смертельных для жизни".