Зоны жизни в космосе

Как то на съезде Международной астронавтической федерации в Риме астробиолог Губерт Стругхольд сообщил о результатах своих исследований зоны жизни в Солнечной системе. Эту зону он назвал экосферой Солнца. По его мнению, жизнь, основанная на соединениях углерода, может существовать на планетах, обращающихся вокруг Солнца лишь на определенном расстоянии, не слишком большом и не слишком малом. На этих планетах должны быть подходящие для жизни температуры, вода в жидком состоянии и свободный кислород в атмосфере. Важнейшим фактором здесь является, очевидно, температура, так как от нее зависит и наличие остальных двух экологических факторов.

По теории Койпера и Юри, первичные планетные атмосферы состояли из водорода и его соединений: метана и аммиака. Под влиянием коротковолнового излучения Солнца водяной пар, находившийся в верхних слоях такой атмосферы, постепенно расщеплялся на водород и кислород. Легкий водород, обладавший быстрым молекулярным движением, уходил в межпланетное пространство, а более тяжелый кислород, молекулы которого двигались медленнее, насыщал атмосферу во все большей степени. Окисляя аммиак, он отщеплял от него свободный азот. Аналогичным образом он действовал и на метан, давая углекислоту. Все эти процессы шли медленно. В атмосфере Земли они продолжаются уже 2,5 миллиарда лет. Таким образом, на некоторых планетах появились кислородные атмосферы; такие планеты должны хорошо освещаться Солнцем и, следовательно, находиться не слишком далеко от Него.

Основным условием для существования атмосферы, о котором Стругхольд не упоминает, является достаточно большая масса планеты. Только планета может удерживать подвижные атмосферные газы в течение миллиардов лет. Это условие выполняется на всех планетах нашей системы (кроме Меркурия и астероидов), а также на Титании — крупнейшем из спутников Сатурна.

Известно, что атмосферы планет играют роль стекол в парниках. Они свободно пропускают солнечные лучи, но довольно эффективно препятствуют излучению «планетарной теплоты» в пространство. В результате этого поверхность планет, окруженных атмосферой, можно рассматривать как идеально черные тела. Эта гипотеза, подкрепляемая климатологическими исследованиями на Земле и измерениями температуры на поверхности различных планет, позволяет применить при изучении проблемы простые физические формулы.

ЭКОСФЕРА СОЛНЦА

Что дали расчеты для Солнца? Приняв гипотезу биологов о том, что органическая жизнь, основанная на углеродных соединениях, возможна при внешних температурах от +80° до —70° по Цельсию, получаем для экосферы Солнца зону пространства, заключенную между расстояниями от 92 до 275 миллионов километров (от Солнца). Эту зону мы получим, вынув из шара с радиусом 275 миллионов километров меньший шар, с радиусом 92 миллиона километров. Такое пространство можно назвать шаровым кольцом. Стругхольд употребляет выражение «шаровая оболочка».

В этой зоне находятся только три планеты: Венера, Земля и Марс. Наша Земля имеет оптимальное положение: она обращается почти в самом термическом центре экосферы. Используя закон Стефана — Больцмама, можно определить среднегодовую температуру поверхности планеты как абсолютно черного тела. Для Земли она получается равной +3°С. Это согласуется с результатами климатологических измерений на Земле, дающих среднюю годовую температуру, равную +14°. Следовательно, Земля благодаря атмосфере так хорошо распоряжается поглощаемым ею электромагнитным излучением Солнца, что получает даже больше тепла, чем могло бы иметь на ее месте идеально черное тело.

ЭКОСФЕРЫ ЗВЕЗД

Обратимся теперь к миру звезд. Разумеется, каждая звезда имеет свою экосферу. Ее физические параметры можно определить с помощью соответствующих уравнений. Расстояние экосферы от звезды и ее ширина прямо пропорциональны радиусу звезды и квадрату температуры ее поверхности. Принятые нами температурные пределы для жизни позволяют установить, что ширина экосферы равна удвоенному расстоянию ее начала от центра звезды. Это общая черта для всех экосфер.

Какие выводы можно сделать отсюда? Горячие звезды и звезды-гиганты обладают очень широкими экосферами. У звезд, близких к карликам, вроде Солнца, экосферы расположены ближе и имеют меньшую ширину. У субкарликов они находятся как бы в рудиментарном состоянии. Приведем два крайних численных примера. Для компоненты А двойной звезды UW Большого Пса мы получим экосферу в 740 раз толще и во столько же раз дальше от звезды, чем для нашего Солнца. Зато субкарликовая звезда Вольф-359 имеет экосферу, которая в 100 раз ближе к центру и в 100 раз тоньше, чем у Солнца.

Тут можно сделать одно существенное замечание. Нужно учитывать тот факт, что экосфера звезды не всегда совпадает с зоной ее планет. Последние могут находиться, например, у гигантов, ближе, чем экосфера, и поэтому быть «перегретыми», а у субкарликов они могут располагаться далеко за пределами экосферы, то есть пребывать в «замороженном» состоянии.

И еще одно замечание. Если вокруг некоторых звезд жизнь основывается на другом элементе, кроме углерода, то наши «экосферические» формулы не потеряют своего значения; нужно только вставить в них другие пределы исходных температур.

ЖИЗНЕННОЕ ПРОСТРАНСТВО В КОСМОСЕ

Попробуем теперь ответить на вопрос: какое же пространство предоставлено в космосе для жизни? Пример Солнца показывает, что в пространстве, занимаемом планетной системой, экосфера охватывает едва лишь 0,0001 часть его.

Обратимся теперь к соседним звездам. Рассчитав экосферы звезд в радиусе 17 световых лет, автор получил следующие результаты. Это пространство охватывает около 20 тысяч кубических световых лет, и в нем имеется в общей сложности 55 звезд, экосферы которых занимают в сумме едва 0,25 *10 в минус 25 степени указанного объема.

Если подобную густоту звезд принять для всей Галактики, то окажется, что жизнь в ней занимает такую же часть всего объема. А космос? Принимая во внимание пустые пространства, которыми разделены между собой соседние галактики, придем к выводу, что объем доступной наблюдениям части космоса, пригодный для жизни, составляет 10—20 процентов общего объема.

КОЛИЧЕСТВО ПЛАНЕТ ВО ВСЕЛЕННОЙ

Рассмотрев, какое место занимают во Вселенной зоны жизни, попытаемся теперь определить количество планет в космосе. Гравитационные исследования показали, что 25 процентов ближайших к Солнцу звезд имеют очень массивные «планетные спутники».

Кроме них, наверняка есть и «нормальные» планеты, размерами, например, с Землю, которые не обнаруживаются гравитационным путем. Но эти исследования ограничиваются лишь ближайшим соседством с Солнцем. В последние годы проведены крупные исследования, основанные на изучении звездных спектров.

Тридцать лет назад русские астрономы Струве и Шайн заметили, что в спектрах гигантских, молодых звезд все линии размыты и размазаны. Напротив, у звезд, приближающихся к карликам и имеющих почтенный возраст, эти линии ясны и четки. Оказалось, что причиной размытости спектральных линий у звезд является быстрое вращение (последних вокруг своей оси. Если угол между лучом нашего зрения и направлением оси вращения звезды близок к 90°, то эффект Допплера в спектре выражен особенно сильно. Части звездного диска, приближающиеся к нам, особенно в зоне экватора, вызывают сдвиг всех без исключения спектральных линий к фиолетовому концу спектра, а части, удаляющиеся от нас, сдвигают их к красному концу; поэтому все линии на спектрограммах таких звезд оказываются размытыми.

По «профилю» спектральных линий, основываясь на эффекте Допплера, можно измерить скорость вращения звезды на экваторе с точностью до 1 км/сек. Что же дали такие измерения? Оказалось, что «молодые» гиганты вращаются вокруг своих осей со скоростью, на экваторе равной 300, 200, 100 км/сек. или несколько меньше, тогда как «пожилые» — карлики и субкарлики — имеют очень малую скорость, порядка едва нескольких километров в секунду. Например, у нашего Солнца, относящегося к категории карликов, скорость вращения на экваторе составляет только 2 км/сек.

В замедлении вращения звезд космологи Хойль, Альфвен, Струве видят непосредственный результат образования у них планетных систем. Планеты унесли с собой львиную долю момента вращательного движения. Сравнительно простой расчет показывает, например, что 98 процентов момента вращения Солнечной системы принадлежит планетам и только 2 процента — самому Солнцу.

Как известно, звезды спектральных типов О, В, А, количество которых достигает 33 процентов, это гиганты. Спектральные типы F и G — карлики (их 32 процента). Наконец, спектральные типы К, М, N, R, S, охватывающие 35 процентов звезд, относятся к так называемым субкарликам. Установив экваториальную скорость вращения и возраст этих типов звезд, легко рассчитать, что 67 процентов звезд в Галактике должны обладать планетами, а остальные 33 процента получат их только в будущем. Эти расчеты основаны на обширнейшем многотомном каталоге звездных спектров Генри Дрэпера, включающем в себя сведения о 240 тысячах спектров отдельных звезд вплоть до девятой величины.

Однако каталог Дрэпера занимается преимущественно более яркими звездами как более доступными для спектроскопического анализа. Статистическое обследование хорошо известной ближайшей к Солнцу области, в радиусе 17 световых лет, дает несколько иные результаты, указывающие на еще большее численное преимущество карликов и субкарликов (96 процентов) перед гигантами (4 процента).

Исходя из этого, можно предполагать, что планетными системами обладает около 90 процентов всех звезд в Галактике. Иначе говоря, планетные системы являются в ней скорее правилом, чем исключением. Допуская, что каждая система состоит из нескольких планет, приходим к предположению, что количество планет в Галактике больше количества звезд. Медленная эволюция атмосферы и органической жизни от первых клеток до разумных существ требует, чтобы планета находилась в экосфере около 3,5 миллиарда лет. Это условие, как уже указывалось, выполнимо для 67 процентов, а по другим данным,— даже для 90 процентов звезд. Следовательно, высокоразвитые цивилизации на планетах должны быть в Галактике скорее обыденным явлением, чем исключительным, то есть совсем не так, как предполагалось ранее, когда считалось, что планетами обладает едва одна звезда на миллион.

Автор: Я. Гадомский.