Ученые придумали решение парадокса слабого Солнца. Теперь мы, кажется, знаем, как зародилась жизнь на Земле

Его решение важно не только для исследования Земли и ее космической судьбы, но и для нашего понимания механизма возникновения жизни в целом. Изучив тайну молодого Солнца мы можем лучше понять потенциал обитаемости тысяч экзопланет, а также раскрыть секрет нашего существования, пишет Quanta Magazine.

НВ выбрал самые интересные и важные детали из материала, который рассказывает о том, как ученые на протяжении десятилетий пытаются решить солнечную загадку.

Парадокс: начало

Впервые о парадоксе слабого молодого Солнца заговорили в 1958 году, когда немецко-американский астрофизик Мартин Шварцшильд и британский астроном Фред Хойл изучили эволюцию нашей звезды и пришли к одному и тому же выводу: как только Солнце сформировалось, оно имело лишь 70% светимости относительно современного уровня.

Это не было проблемой, пока в 1960-х ученые не начали находить доказательства существования воды на Земле около 4 млрд лет назад. Это полностью противоречило тому, что мы знали о Солнце — Земля не могла достаточно нагреться под молодой звездой, чтобы вода пребывала в жидком состоянии. Поначалу ученые предполагали, что на самом деле Солнце старше, чем мы думаем, либо модель его эволюции существенно отличается от других звезд.

В 1972 году американские астрономы Карл Саган и Джордж Маллен предположили, что парадокс решается другим составом атмосферы ранней Земли — якобы тогда она позволяла удерживать больше тепла, благодаря чему планета была достаточно теплой, чтобы поддерживать жидкое состояние воды. Исследователи предположили наличие в атмосфере большого количества аммиака — этот парниковый газ удерживал бы слабое тепло Солнца в атмосфере Земли, благодаря чему ее поверхность не охлаждалась бы слишком сильно.

Со временем аммиак (который, как выяснилось, разрушается солнечным ультрафиолетовым излучением) заменили углекислым газом. Георг Фельнер из Потсдамского института изучения климатических изменений отмечает, что «в системе ранней Земли было много углерода, поэтому разумно предположить, что вы можете производить значительное количество углекислого газа в атмосфере».

Одним из предположений, как в атмосфере могло оказаться достаточное количество углекислого газа, чтобы удержать необходимое количество тепла, является неутомимая работа вулканов. Они могли бы помочь нашей планете также преодолеть последствия глобальных похолоданий — однако проверить эту гипотезу наверняка невозможно, так как мы не можем изучить древнюю атмосферу Земли.

Анализ древних метеоритов показал, что в то время земная атмосфера могла на 70% состоять из углекислого газа. Теоретически этого хватило бы, чтобы не дать замерзнуть поверхности нашей планеты.

Тем не менее, далеко не всегда температура была такой теплой и приятной. Ученые считают, что впервые Земля замерзла около 2,4 млрд лет назад — океаны оказались скрыты под несколькими сотнями метров льда. Предположительно, это произошло из-за того, что к тому моменты из атмосферы пропало большое количество углекислого газа — именно тогда на помощь планете и пришли вулканы, которые обратили этот процесс вспять. А спустя несколько сотен миллионов лет Солнце стало достаточно ярким, чтобы поддерживать жидкую воду без помощи земной атмосферы.

Живые организмы

Когда наша планета только начинала формироваться, в нее врезался объект размером с Марс. Одна из гипотез гласит, что в результате этого столкновения появилась Луна, а Земля получила свою форму. Кроме того, эта космическая авария могла вызвать резкое потепление на планете, вся поверхность которой превратилась в океаны из магмы. Десятки миллионов лет спустя они остыли, а Земля стала похожей на ту, которой мы ее и знаем. Доказательством этой теории являются цирконы — самые старые известные земные твердые тела.

Исследование этих древнейших материалов показало, что некоторые из них могли контактировать с жидкой водой еще 4,38 миллиарда лет назад. Получается, что океаны на Земле появились практически сразу после остывания магмы — фактически, потенциально обитаемая планета сформировалась спустя 150 млн лет после образования Солнечной системы.

Перематываем еще 300 млн лет вперед — и получаем первые признаки жизни на планете. Внутри цирконов ученые предположительно обнаружили останки организмов, которые жили на Земле около 4,1 млрд лет назад. Альтернативные теории предполагают, что именно метан, производимый живыми существами, а вовсе не углекислый газ в невероятных количествах, способствовал удержанию тепла на Земле.

Новая гипотеза, выдвинутая Рене Хеллером из Института исследования солнечной системы Макса Планка и его коллегами, считает, что нашу планету спасла Луна. Поначалу она была в 15 раз ближе к Земле, чем сейчас, что предполагает большее гравитационное воздействие. Приливные силы Луны толкали и втягивали внутреннюю часть Земли, что вызывало повышение температуры на поверхности планеты. Этого было бы недостаточно, чтобы решить парадокс слабого молодого Солнца, однако это был бы важнейший импульс в первые 100−300 млн лет существования планеты, благодаря которому Земля нагревалась дальше за счет атмосферы и/или вулканической активности.

Парадокс — это не проблема, а спасение?

Еще одна недавняя работа предполагает, что Солнечная система стала идеальным домом для Земли именно благодаря «тусклому» Солнцу. Если бы наша звезда 4,5 млрд лет назад обладала от 92% до 95% от своей нынешней светимости, планета была бы слишком горячей, чтобы на ней развивалась жизнь, а вода была в стабильно жидком состоянии.

С такой проблемой столкнулась Венера, которая никогда не была достаточно прохладной, чтобы на ее поверхности вода могла находиться в жидком состоянии. Не будь Солнце на 30% более тусклым чем сейчас — и молодую Землю постигла бы та же участь.

С другой стороны, следы на Марсе указывают, что на поверхности планеты существовала жидкая вода около 3,5−3,7 млрд лет назад. Это еще больше усложняет загадку, ведь Красная планета находится еще дальше от Солнца, чем Земля. Возможно, ключи к решению этой задачи нам принесет ровер Perseverance, который должен вернуться на Землю в 2030-х годах с образцами поверхности Марса.

Спустя десятилетия изучения проблемы, ученые наконец приближаются к разгадке парадокса слабого молодого Солнца. Каким-то непостижимым уму образом, все компоненты для появления жизни сошлись в идеальных пропорциях именно на нашей планете — и только сейчас мы начинаем понимать, насколько нам повезло.