Для поддержания жизни, как мы её знаем, планета должна обращаться вокруг относительно спокойной и стабильной звезды. Орбита планеты должна быть почти круговой, чтобы обеспечить стабильное тепло в течение года. Кроме того, планета не должна быть слишком жаркой, чтобы не испарилась вся вода, и не слишком холодной, чтобы вода не превратилась в лед, а в самый раз, чтобы реки и моря оставались жидкими.
Эти характеристики определяют “обитаемую зону” вокруг звёзд – места, которые представляют особый интерес в поисках потенциально обитаемых экзопланет. Однако учёные всё чаще рассматривают всю галактику с такой же тщательностью. Как разные континенты с различными биосферами содержат уникальные флору и фауну, так и разные регионы галактики могут содержать различные популяции звёзд и планет. Бурная история Млечного Пути означает, что не все уголки галактики одинаковы, и лишь некоторые регионы могут быть подходящими для создания планет, которые мы считаем потенциально обитаемыми.
Учёные, изучающие экзопланеты, совершенствуют свои представления о том, где искать внеземную жизнь. Теперь они учитывают происхождение звезды и её окрестности, говорит астроном Йеспер Нильсен из Копенгагенского университета. Новые симуляции, а также наблюдения со спутников, ищущих планеты и отслеживающих миллионы звёзд, позволяют нам понять, как разные галактические районы – и, возможно, даже разные галактики – формируют планеты по-разному.
“Это, в свою очередь, поможет нам лучше понять, куда направлять наши телескопы”, говорит Нильсен.
Сегодня Млечный Путь имеет сложную структуру. Его центральная сверхмассивная чёрная дыра окружена “балджем”, плотным скоплением звёзд, включающим некоторые из самых старых звёзд галактики. Балдж окружён “тонким диском”, структурой, которую можно увидеть над головой в чистую, тёмную ночь. Большинство звёзд, включая Солнце, находятся в спиральных рукавах тонкого диска, который окружён более широким “толстым диском” со старыми звёздами. И диффузное, в основном сферическое гало из тёмной материи, горячего газа и некоторых звёзд охватывает всю структуру.
Уже более двух десятилетий учёные задаются вопросом, различаются ли условия обитаемости в этих структурах. Первое исследование галактической обитаемости датируется 2004 годом, когда австралийские учёные Чарльз Лайнвивер, Йеши Феннер и Брэд Гибсон смоделировали историю Млечного Пути и использовали её для изучения мест возможного нахождения обитаемых зон. Они хотели узнать, какие звёзды-хозяева имеют достаточно тяжёлых элементов (например, углерода и железа) для формирования каменистых планет, какие звёзды существуют достаточно долго для развития сложной жизни и какие звёзды (и любые вращающиеся вокруг них планеты) находятся в безопасности от соседних сверхновых. Они определили “галактическую обитаемую зону”, область в форме бублика с отверстием в центре, центрированном на центре галактики. Внутренняя граница этой зоны начинается примерно в 22 000 световых лет от галактического центра, а внешняя граница заканчивается примерно в 29 000 световых лет.
За последние два десятилетия астрономы пытались более точно определить переменные, контролирующие эволюцию как звёзд, так и планет в галактике, говорит астроном Кевин Шлауфман из Университета Джонса Хопкинса. Например, по его словам, планеты рождаются в пыльных дисках, окружающих новорождённые звёзды, и если “протопланетный диск содержит много материала для создания камней, то он будет производить больше планет”.
Некоторые регионы галактики могут быть более плотно засеяны этими ингредиентами для создания планет, чем другие, и учёные теперь работают над пониманием, насколько галактические районы влияют на планеты, которые они содержат.
Среди примерно 4000 известных экзопланет пока нет чётких правил, определяющих, какие типы планет находятся где; ни одна звёздная система не похожа на нашу, и большинство из них даже не очень похожи друг на друга.
Нильсен и его коллеги хотели узнать, могут ли планеты формироваться по-разному в толстом диске, тонком диске и гало Млечного Пути. В целом звёзды тонкого диска содержат больше тяжёлых элементов, чем звёзды толстого диска, что означает, что они образовались из облаков, которые также могли содержать больше ингредиентов для создания планет. Используя данные с гаитного спутника Европейского космического агентства, который отслеживает звёзды, Нильсен и его коллеги сначала разделили звёзды на основе их содержания определённых элементов. Затем они смоделировали формирование планет среди этих популяций.
Их симуляции , опубликованные в октябре, показали, что газовые гиганты и супер-Земли – наиболее распространённые типы экзопланет – образуются более обильно в тонком диске, вероятно, потому что (как и ожидалось) эти звёзды имеют больше строительного материала. Также было выявлено, что у молодых звёзд с большим содержанием тяжёлых элементов в целом больше планет, а гигантские планеты встречаются чаще, чем меньшие. В то же время газовые гиганты почти не встречаются в толстом диске и гало.
Шлауфман, который не участвовал в исследовании, считает, что результаты имеют смысл. Состав пыли и газа, из которых рождаются звёзды, критически важен для определения, будут ли звёзды формировать планеты. И хотя этот состав может варьироваться в зависимости от местоположения, он утверждает, что, хотя местоположение может задать сцену для создания миров звездой, оно может не определять окончательный результат.
В июне исследование, проведённое с использованием данных космического телескопа Кеплер НАСА, обнаружило, что звёзды тонкого диска Млечного Пути имеют больше планет , особенно супер-Земель и миров размером с суб-Нептун, чем звёзды толстого диска. Одно из объяснений, по словам экзопланетолога Джесси Кристиансен из Калифорнийского технологического института и соавтора исследования, заключается в том, что старые звёзды толстого диска могли родиться, когда ингредиенты для создания планет были редки, до того как умирающие звёзды начали сеять космос строительными блоками миров. Или, возможно, звёзды толстого диска родились в плотных, высокоэнергетических средах, где турбулентность мешает сгусткам планет образовываться.
Планеты, возможно, лучше себя чувствуют в открытых районах, подобных пригородам, в отличие от плотно населённых “”городских” зон галактики, – отметила Кристиансен. Это предположение открывает новые перспективы для поиска обитаемых планет в менее изученных уголках Млечного Пути.
Исследования Кристиансен и симуляции Нильсена – лишь начало пути к пониманию того, как галактическое окружение влияет на образование планет. Ведант Чандра , астроном из Центра астрофизики Гарвард-Смитсониан, готовится к следующему шагу – изучению, могла ли формироваться жизнь на планетах в галактиках, которые Млечный Путь поглотил в процессе своего роста. В будущем Нильсен надеется, что более точные исследования и инструменты, такие как предстоящий космический телескоп Нэнси Грейс Роман от НАСА, помогут лучше понять формирование планет, аналогично тому, как демографы изучают население. Возможно ли предсказать, какие типы звёзд будут иметь какие типы планет? Более вероятно ли образование Землеподобных планет в определённых районах? И если мы знаем, куда смотреть, сможем ли мы найти что-то, что смотрит на нас в ответ?
Мы знаем, что живём в обитаемой зоне, на планете, вращающейся вокруг спокойной звезды. Но как началась жизнь на Земле, когда и почему – это самый большой вопрос в любой области науки. Возможно, учёным также стоит задуматься о происхождении нашей звезды и даже о тех звёздных предках, которые формировали наш уголок Млечного Пути миллиарды лет назад.
“Была ли жизнь на Земле неизбежностью? Была ли она особенной?” – задаётся вопросом Чандра. “Только начав понимать эту глобальную картину, мы сможем начать отвечать на такие вопросы.”