Вчені вигадали рішення феномена слабкого Сонця. Тепер ми, здається, знаємо, як зародилося життя на Землі

Його рішення важливе не лише для дослідження Землі та її космічної долі, але й для нашого розуміння механізму виникнення життя загалом. Вивчивши таємницю молодого Сонця, ми можемо краще зрозуміти потенціал проживання тисяч екзопланет, а також розкрити секрет нашого існування, пише Quanta Magazine.

НВ вибрав найцікавіші та найважливіші деталі з матеріалу, який розповідає про те, як вчені протягом десятиліть намагаються вирішити сонячну загадку.

Парадокс: початок

Вперше про парадокс слабкого молодого Сонця заговорили в 1958 році, коли німецько-американський астрофізик Мартін Шварцшильд і британський астроном Фред Гойл вивчили еволюцію нашої зірки і дійшли одного і того ж висновку: як тільки Сонце сформувалося, воно мало лише 70% відносно сучасного рівня.

Це не було проблемою, поки в 1960-х вчені не почали знаходити докази існування води на Землі близько 4 млрд років тому. Це повністю суперечило тому, що ми знали про Сонце — Земля не могла достатньо нагрітися під молодою зіркою, щоб вода була рідкою. Спочатку вчені припускали, що насправді Сонце старше, ніж ми думаємо, або модель його еволюції суттєво відрізняється від інших зірок.

У 1972 році американські астрономи Карл Саган і Джордж Маллен припустили, що парадокс вирішується іншим складом атмосфери ранньої Землі — нібито тоді вона дозволяла утримувати більше тепла, завдяки чому планета була досить теплою, щоб підтримувати рідкий стан води. Дослідники припустили наявність в атмосфері великої кількості аміаку — цей парниковий газ утримував слабке тепло Сонця в атмосфері Землі, завдяки чому її поверхня не охолоджувалася б занадто сильно.

Згодом аміак (який, як з’ясувалося, руйнується сонячним ультрафіолетовим випромінюванням) замінили вуглекислим газом. Георг Фельнер із Потсдамського інституту вивчення кліматичних змін зазначає, що «в системі ранньої Землі було багато вуглецю, тому розумно припустити, що ви можете виробляти значну кількість вуглекислого газу в атмосфері».

Одним із припущень, як в атмосфері могла опинитися достатня кількість вуглекислого газу, щоб утримати потрібну кількість тепла, є невтомна робота вулканів. Вони могли б допомогти нашій планеті також подолати наслідки глобальних похолодань — проте перевірити цю гіпотезу, напевно, неможливо, оскільки ми не можемо вивчити давню атмосферу Землі.

Аналіз древніх метеоритів показав, що у той час земна атмосфера могла на 70% складатися з вуглекислого газу. Теоретично цього вистачило б, щоб не дати замерзнути поверхні нашої планети.

Проте далеко не завжди температура була такою теплою та приємною. Вчені вважають, що вперше Земля замерзла близько 2,4 млрд років тому — океани були приховані під кількома сотнями метрів льоду. Імовірно, це сталося через те, що на той час з атмосфери зникла велика кількість вуглекислого газу — саме тоді на допомогу планеті й прийшли вулкани, які повернули цей процес назад. Через кілька сотень мільйонів років Сонце стало досить яскравим, щоб підтримувати рідку воду без допомоги земної атмосфери.

Живі організми

Коли наша планета тільки-но починала формуватися, в неї врізався об'єкт розміром з Марс. Одна з гіпотез свідчить, що внаслідок зіткнення з’явився Місяць, а Земля набула своєї форми. Крім того, ця космічна аварія могла спричинити різке потепління на планеті, вся поверхня якої перетворилася на океани з магми. Через десятки мільйонів років вони охолонули, а Земля стала схожою на ту, якою ми її й знаємо. Доказом цієї теорії є циркони — найстаріші відомі земні тверді тіла.

Дослідження цих найдавніших матеріалів показало, що деякі з них могли контактувати з рідкою водою ще 4,38 мільярда років тому. Виходить, що океани на Землі з’явилися практично відразу після остигання магми — фактично, потенційно заселена планета сформувалася через 150 млн років після утворення Сонячної системи.

Перемотуємо ще 300 млн років уперед — і отримуємо перші ознаки життя на планеті. Усередині цирконів вчені виявили останки організмів, які жили на Землі близько 4,1 млрд років тому. Альтернативні теорії припускають, що метан, вироблений живими істотами, а не вуглекислий газ у неймовірних кількостях, сприяв утриманню тепла Землі.

Нова гіпотеза, висунута Рене Геллером з Інституту дослідження сонячної системи Макса Планка та його колегами, вважає, що нашу планету врятував Місяць. Спочатку він був в 15 разів ближчим до Землі, ніж зараз, що передбачає більшу гравітаційну дію. Приливні сили Місяця штовхали та втягували внутрішню частину Землі, що викликало підвищення температури на поверхні планети. Цього було б недостатньо, щоб вирішити парадокс слабкого молодого Сонця, однак це був би найважливіший імпульс у перші 100−300 млн років існування планети, завдяки якому Земля нагрівалася далі за рахунок атмосфери та/або вулканічної активності.

Парадокс — це не проблема, а порятунок?

Ще одна недавня робота припускає, що Сонячна система стала ідеальною домівкою для Землі саме завдяки «тьмяному» Сонцю. Якби наша зірка 4,5 млрд років тому мала від 92% до 95% від своєї нинішньої світності, планета була б надто гарячою, щоб на ній розвивалося життя, а вода була у стабільно рідкому стані.

З такою проблемою зіткнулася Венера, яка ніколи не була достатньо прохолодною, щоб на її поверхні вода могла перебувати в рідкому стані. Якби Сонце не було на 30% тьмянішим, ніж зараз — і молоду Землю спіткала б та сама доля.

З іншого боку, сліди на Марсі вказують на те, що на поверхні планети існувала рідка вода близько 3,5−3,7 млрд років тому. Це ще більше ускладнює загадку, адже Червона планета ще далі від Сонця, ніж Земля. Можливо, ключі до вирішення цього завдання нам принесе ровер Perseverance, який має повернутися на Землю у 2030-х роках із зразками Марсу.

Через десятиліття вивчення проблеми вчені нарешті наближаються до розгадки парадоксу слабкого молодого Сонця. Якимось чином, що не може осягнути розум, усі компоненти для появи життя зійшлися в ідеальних пропорціях саме на нашій планеті — і лише зараз ми починаємо розуміти, наскільки нам пощастило.