Молчание Вселенной: почему на самых распространённых планетах нет кислорода

Кислород однажды полностью изменил судьбу Земли, открыв путь к появлению сложной жизни. Великое кислородное событие стало переломным моментом, когда атмосфера начала постепенно насыщаться кислородом благодаря фотосинтезу древних бактерий. Теперь учёные задаются вопросом: может ли подобный процесс происходить на других планетах, особенно вокруг самых распространённых звёзд Галактики — красных карликов. Новое исследование показывает, что для таких миров путь к кислородной атмосфере может оказаться почти невозможным. Об этом сообщает препринт на arxiv. org.

Как кислород изменил историю Земли

Около 2,3 миллиарда лет назад на Земле началось Великое кислородное событие. Фотосинтезирующие цианобактерии выделяли кислород, и со временем он стал накапливаться в атмосфере.

Этот процесс занял колоссальное время: понадобилось почти 2,5 миллиарда лет, чтобы кислорода стало достаточно для существования сложных организмов с высокими энергетическими потребностями. Именно появление кислородного дыхания в итоге подготовило почву для кембрийского взрыва — периода бурного развития животной жизни.

Почему красные карлики вызывают вопросы

Красные карлики — самый массовый тип звёзд в Млечном Пути, и вокруг них обнаружено множество каменистых экзопланет. Некоторые из этих миров находятся в обитаемой зоне, где возможна жидкая вода.

Но главный вопрос в другом: дают ли такие звёзды достаточно света для фотосинтеза, который мог бы запустить глобальное насыщение атмосферы кислородом, как это произошло на Земле.

Авторы исследования Джозеф Солиз и Уильям Уэлш решили оценить, насколько реалистичен аналог Великого кислородного события на планете у тусклого красного карлика.

Пример системы TRAPPIST-1

Учёные выбрали систему TRAPPIST-1 — холодный красный карлик примерно в 40 световых годах от нас. Вокруг него вращаются семь планет земного размера, а три находятся в зоне потенциальной обитаемости.

Особый интерес представляет TRAPPIST-1e, которую часто называют одним из самых "землеподобных" кандидатов. При этом известно, что активность звезды TRAPPIST-1 уже ставит под сомнение шансы её планет на сохранение атмосферы.

Исследователи мысленно заменили эту планету архейской Землёй и рассчитали, сколько фотосинтетически активного излучения она получила бы.

Почти нет света для кислородного фотосинтеза

Оказалось, что планета на орбите TRAPPIST-1e получала бы лишь около 0,9% того света, который Земля получает от Солнца в диапазоне, пригодном для кислородного фотосинтеза.

Если использовать простую линейную оценку, накопление кислорода заняло бы примерно 63 миллиарда лет — больше, чем возраст Вселенной. Это означает, что сложная жизнь, зависящая от кислорода, в таких условиях вряд ли успела бы появиться.

Возможные поправки и конкуренция микробов

Учёные учли, что фотосинтез может насыщаться и снижаться при разных уровнях освещённости, а расширение диапазона длин волн всего на 50 нм резко увеличивает число доступных фотонов. Тогда временные масштабы сокращаются до 1-5 миллиардов лет.

Но остаётся другая проблема: бескислородные фотосинтезирующие бактерии способны использовать ближний инфракрасный свет и требуют намного меньше энергии. Они могли бы доминировать в экосистемах, не производя кислород в значимых количествах.

В таком случае атмосфера планеты может так и не стать богатой кислородом, а значит, кембрийского взрыва и сложных животных форм жизни может не случиться — так же как исследования показывают, что Европа может получать энергию для жизни совершенно иными путями, не связанными с кислородом.

Что это значит для поиска жизни

Авторы подчёркивают, что выводы основаны на предположениях: например, что кислород необходим для сложной жизни, а эволюционные темпы будут похожи на земные. Но даже с поправками общий итог остаётся прежним: вокруг красных карликов, вероятно, будут преобладать микробные формы жизни, развивающиеся очень медленно.

Если же будущие наблюдения обнаружат богатые кислородом атмосферы у таких планет, это станет настоящей сенсацией и будет означать, что жизнь нашла неожиданные способы эффективного фотосинтеза даже при слабом свете.

Таким образом, слабое излучение красных карликов может оказаться не менее важным ограничением для сложной жизни, чем их разрушительные вспышки.