Кислород для стороннего наблюдателя может стать важным индикатором наличия жизни на Земле, но это не является общей закономерностью для всех планет во Вселенной. Когда речь идет о молодых планетах, присутствие этого газа не обязательно указывает на биологические процессы. Такое довольно неожиданное заявление сделала группа астрономов под руководством Робина Уордсворта (Robin Wordsworth), геофизика из Университета Чикаго. После длительных исследований они установили, что водяной пар в верхних слоях атмосфер таких планет может разрушаться на водород и кислород под действием ультрафиолетового излучения родительской звезды. Образующийся атомарный водород, в свою очередь, настолько легкий, что без труда «ускользает» в космическое пространство, вызывая «окисление» оставшейся части газовой оболочки. Этот процесс может быть достаточно устойчивым и продолжаться длительное время.

Астрономы изучали фотолиз воды — процесс, при котором ее молекулы распадаются под действием солнечных фотонов высоких энергий. Чаще всего эти молекулы, состоящие из двух атомов водорода и одного атома кислорода, расщепляются на гидроксильный радикал ОН и атомарный водород. Последний, ввиду своей малой массы, почти «не задерживается» гравитационным полем планеты и рассеивается в космосе. Оставшиеся гидроксилы реагируют между собой с образованием молекулярного кислорода 02, которого в атмосфере со временем накапливается все больше.

С помощью современных технологий искать землеподобные объекты в окрестностях иных звезд исключительно сложно из-за их небольших размеров и массы: они не оказывают на свои центральные светила заметного гравитационного воздействия, как экзо-Юпитеры, и экранируют очень небольшую часть излучения при прохождении по звездным дискам. Очевидно, что еще сложнее исследовать особенности таких планет — например, состав их атмосфер (в случае некоторых газовых гигантов эта задача уже практически решена). Большинство планет, найденных за пределами Солнечной системы, имеют размеры, сопоставимые с юпитерианскими. Тем не менее, космический телескоп Kepler уже открыл эпоху исследования экзопланет, сравнимых по размерам с Землей. В феврале текущего года ученые получили доступ к «планетной сокровищнице» (Planet bonanza) — списку из 715 новых миров, существование которых было недавно подтверждено. Основная часть этих новых объектов представлена «супер-Землями» с диаметрами от двух до 10 земных. В архиве данных телескопа также выявлено несколько планет, по размерам почти не отличающихся от Земли.

Для поиска таких объектов сотрудники миссии Kepler впервые использовали новую технику, которая, похоже, вполне себя оправдала. Техника называется «проверка множественностью» (verification by multiplicity) и применима только для звезд, имеющих больше одной планеты. Если удается зарегистрировать множественные случаи затмения центрального светила или обнаружить сложную кривую отклонения лучевой скорости звезды от среднего значения, почти всегда эти явления можно объяснить «вмешательством» нескольких экзопланет.

Февральская публикация данных телескопа Kepler охватывает только два года наблюдений — половину срока его функционирования. Поэтому нас наверняка ожидают еще сотни открытий, которые состоятся после анализа второй половины наблюдательного материала. Грандиозные проекты посылки межзвездного зонда к экзопланетам с целью изучения химического состава их атмосфер пока остаются на бумаге. Однако астрономы практически единодушны в том, что эта проблема уже в ближайшее десятилетие будет решена с помощью наземных и околоземных космических телескопов.

Поиск экзопланет с размерами, близкими к земным, является лишь частью уравнения. Эти планеты должны располагаться в «зоне жизни» — области, где средняя температура допускает существование на их поверхности жидкой воды. Такие зоны отличаются для разных типов звезд. Например, «зона жизни» более холодной по сравнению с Солнцем звезды будет иметь меньший радиус и толщину. С другой стороны, горячие звезды испускают больше высокоэнергетического излучения, вызывающего процессы фотолиза.

Часть исследований группы Уордсворта связана с прогнозированием того, какие планеты могли бы обладать «совместимыми с жизнью» атмосферами. Правда, это направление скорее касается обнаружения биологических маркеров, чем условий, благоприятных для существования живых организмов. Спектры экзопланет, по размерам близких к Земле, настолько слабые, что никому из астрономов до сих пор не удалось хотя бы в общих чертах проанализировать атмосферу такого объекта. Но следует помнить, что даже если это произойдет, и в спектре обнаружатся признаки кислорода — это не означает автоматического открытия инопланетной жизни.

Робин Уордсворт объясняет, что ученым предстоит сделать еще несколько шагов с целью получения дополнительных наблюдательных доказательств природы процессов, насыщающих атмосферы кислородом. На истечение водорода, по его словам, не сильно влияет наличие в газовой оболочке инертных газов (в первую очередь аргона) — оно скорее зависит от интенсивности проникновения воды в верхние атмосферные слои. На Земле в настоящее время этому активно препятствует азот: он удерживает воду в «ловушке» в приповерхностных слоях, где температура в среднем ненамного выше точки замерзания. Таким образом, на Земле вода конденсируется в тропосфере, сохраняя стратосферу почти «сухой» и в минимальной степени участвуя в процессах фотолиза с последующей утечкой водорода в космос.

Трудно найти точную аналогию, но лучше всего подходит сравнение со скороваркой. Азот, как стенки скороварки, создает избыточное давление и сохраняет содержащуюся в атмосфере воду. Оказавшись в холодной «ловушке», она не может достичь верхних атмосферных слоев, куда проникает ультрафиолетовое излучение Солнца и, следовательно, не может быть разрушена. Без азота водяной пар мог бы свободно подниматься на любую высоту. Очевидно, нам придется существенно расширить круг возможных агентов, которые влияют на физические процессы, происходящие на разных планетах.

Интересно, что ответы на многие из этих вопросов частично можно найти при детальном изучении объектов нашей Солнечной системы. В этом случае весьма полезно провести определенные параллели между Землей и двумя ближайшими к ней планетами — Марсом и Венерой. Задача неизмеримо упрощается возможностью посылки к ним исследовательских зондов (напомним, что к далеким экзопланетам с использованием современных технологий добраться пока невозможно).

На Венере отношение содержания «обычного» водорода Н к тяжелому стабильному изотопу этого элемента D — дейтерию, ядра которого содержат один протон и один нейтрон — свидетельствует о том, что в прошлом планета имела значительные запасы воды, но позже ее потеряла. Избыток дейтерия по отношению к водороду в венерианской атмосфере по сравнению с земной (предполагается, что исходное соотношение D/H там было примерно таким, как сейчас на Земле) позволяет утверждать, что в начале истории планеты более легкие атомы водорода улетучились в космическое пространство, в то время как более тяжелые атомы дейтерия в основном «остались на месте».

Для более глубокого понимания этой проблемы предстоит провести немало обстоятельных исследований. Некоторые ученые предполагают, что слабое магнитное поле Венеры сделало ее более уязвимой для солнечной радиации, которая способствовала утечке водорода. Марс, в свою очередь, имеет тонкую атмосферу и холодную поверхность, а температура — один из главных факторов, определяющих, сколько воды превращается в пар и впоследствии подвергается фотолизу.

Планетологи с нетерпением ожидают прибытия к цели аппарата Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN), который, как ожидается, достигнет Красной планеты в сентябре.5 Он будет иметь возможность отслеживать процессы утечки атмосферных молекул буквально в режиме реального времени, и поможет ученым экстраполировать их в марсианское прошлое.

На ранних стадиях эволюции Марс имел более плотную углекислотную атмосферу, и вода стабильно присутствовала на поверхности планеты. Признаки ее существования и изменение изотопного состава заслуживают дальнейшего изучения. Но исследователям также не следует забывать о Земле. Расчеты показывают, что азот должен был давно уже улетучиться в космос, поэтому его высокое содержание в современной земной атмосфере остается загадкой.

Комментарии запрещены.

Карьера. Финансы
  • Форма галстука

    Несмотря на то, что большинство мужчин предпочитает классические галстуки – более широкие с одной стороны полотна и более узкие с другой, заканчивающиеся треугольными... 
    Читать полностью

Держи себя в форме
Loading...