Рассуждения о пригодности экзопланет для жизни в основном касаются расстояния планеты от её звезды. Слишком близко — и вся вода на поверхности выкипает в космос. Слишком далеко — и вода на поверхности замерзает. Оба случая являются серьёзными ограничениями для перспектив наличия жизни. Пригодность для жизни зависит от того, находится ли экзопланета в «зоне обитаемости» — диапазоне расстояний вокруг звезды, где может существовать жидкая вода.
Но как обстоят дела в более широком контексте? Даже если экзопланета находится в зоне обитаемости своей звезды, другие факторы могут препятствовать обитаемости. Если солнечная система находится слишком близко к сверхмассивной чёрной дыре (СМЧД), которые, скорее всего, находятся в центре всех крупных галактик, то не будет иметь значения, насколько близко планета находится к своей звезде. Давящее воздействие СМЧД сделает обитаемость практически невозможной.
В новой статье, опубликованной в журнале «The Astrophysical Journal», исследуется влияние сверхмассивных чёрных дыр на пригодность экзопланет для жизни. Статья озаглавлена «Влияние сверхмассивных чёрных дыр на пригодность экзопланет для жизни. I. Обзор естественного диапазона масс», а её ведущий автор — Журдан Ваас. Ваас работает на кафедре аэрокосмических, физических и космических наук Флоридского технологического института.
«В последние годы значительное внимание уделяется изучению роли высокоэнергетических астрофизических явлений в формировании обитаемости галактик, — пишут авторы. — Сверхновые давно привлекают внимание исследователей из-за их глубокого влияния на обитаемость планет». Сверхновые излучают мощное излучение, способное стерилизовать планету, и ударные волны, которые могут срывать атмосферы и даже полностью уничтожать экзопланеты. Именно поэтому исследователи задаются вопросом, насколько пригодным для жизни может быть плотно заселённый балдж Млечного Пути, учитывая большее количество взрывов сверхновых в этой плотной звёздной среде.
Однако сверхновые — не единственные астрофизические явления, сопровождающиеся выделением огромных количеств энергии. Активно питающаяся сверхмассивная чёрная дыра называется активным галактическим ядром (АЯГ), и хотя сверхновая выделяет колоссальное количество энергии за короткий промежуток времени, АЯГ может демонстрировать гораздо более высокую энергетическую мощность в течение длительного периода. «Чёткое понимание многочисленных ролей активности СМЧД в жизнеспособности галактик помогло бы проложить путь к оценке перспектив внеземной жизнеспособности и жизни во Вселенной», — пишут авторы.
СМЧД, очевидно, чрезвычайно массивны. Их масса может в миллиарды раз превышать массу Солнца. И, конечно, они не инертны. Они обладают огромной гравитационной силой и испускают частицы и излучение экстремальных энергий, когда активны. Как эти массивные, динамичные объекты влияют на обитаемость экзопланет? Насколько нам известно, для обитаемости необходима атмосфера, а атмосфера экзопланеты — это лишь пёрышко по сравнению с АЯГ и его ветрами.
«Хотя влияние активности СМЧД на обитаемость привлекает к себе внимание, конкретное воздействие ветров АЯГ, в частности сверхбыстрых выбросов (СБВ), на атмосферы планет остаётся в значительной степени неизученным», — пишут авторы. В данной работе исследуется взаимосвязь между массой СМЧД, сверхбыстрыми выбросами и обитаемостью экзопланет. «С помощью упрощённых моделей мы учитываем различные результаты, касающиеся взаимосвязей между расстоянием от планеты до центральной СМЧД и массой СМЧД».
Общие результаты никого не удивят. Исследователи показывают, что чем массивнее центральная СМЧД, тем быстрее происходит потеря массы в атмосферах экзопланет и тем сильнее ухудшается пригодность для жизни. «В частности, мы показываем, что увеличение массы СМЧД приводит к более сильному нагреву атмосферы и повышению температур, увеличению термических скоростей молекул и усилению потери массы, и все эти явления ослабевают с увеличением расстояния от центра галактики», — объясняют исследователи.
АЯГ создают ветры, которые действуют как обратная реакция на галактики-хозяева. Исследователи изучили два типа ветров, исходящих от АЯГ, и то, как они влияют на атмосферы экзопланет. Эти два типа — энергетический и импульсный.
Выбросы из АЯГ начинаются как быстрые мелкомасштабные ветры. Они запускаются из аккреционного диска и распространяются наружу, где в конечном итоге сталкиваются с межзвёздной средой. С этого момента в системе появляются две ударные волны.
Одна из них — обратный ударный фронт, который замедляет ветер. Другая — прямой ударный фронт, который проникает в окружающую межзвёздную среду. Процессы, происходящие на обратном ударном фронте, определяют, какой из ветров — энергетический или импульсный — станет доминирующим.
Если ударный ветер охладится достаточно сильно, он не сможет расшириться. В этом случае он не передаёт энергию, а только импульс. Вытекающий поток более ограничен, не распространяется слишком активно и оказывает более ограниченное воздействие на галактику.
Если ударный ветер не охладится достаточно, газ сохраняет свою энергию и действует как расширяющийся пузырь. Это ветер, движимый энергией, и он гораздо эффективнее выметает газ из галактики. Он также более эффективен в нагреве и срывании атмосфер экзопланет.
«Ветры, движимые энергией, неизменно оказывают более сильное воздействие, чем ветры, движимые импульсом», — пишут авторы.
Исследователи также изучили истощение озонового слоя. Звёздные вспышки генерируют энергичные частицы, способные образовывать оксиды азота, которые могут разрушать озон здесь, на Земле. «Учитывая их экстремальные скорости, стоит изучить, могут ли ветры АЯГ, в частности СБВ со скоростями ∼ 0,1c и постшоковыми скоростями порядка 1000 км/с, способствовать истощению озонового слоя в атмосферах, подобных земной», — пишут авторы.
Они обнаружили, что истощение озона увеличивается с ростом массы чёрной дыры и приближением к АЯГ. Более массивные чёрные дыры генерируют более мощные ветры и больше оксидов азота, в результате чего истощение озона становится более значительным. В их моделях истощение озона уменьшается с увеличением расстояния от АЯГ. «И снова ветры, движимые энергией, ослабевают чуть больше, чем ветры, движимые импульсом», — объясняют исследователи.
«Важно отметить, что, как показывают результаты, истощение озона растёт с увеличением массы СМЧД и уменьшается с увеличением расстояния от центра галактики, причём почти полная потеря озона (∼100%) происходит в масштабах всей галактики для масс СМЧД ≥ 108 солнечных в случае, когда ветер движим энергией», — пишут они. Это показывает, что значительная потеря озона происходит на большей части внутренних областей галактики. Это подразумевает, что «… почти полное истощение озона может быть самым универсальным и широкомасштабным атмосферным следствием ветров АЯГ».
Истощение озона не обязательно отменяет пригодные для жизни условия. Но оно может ограничить ареал жизни океанами. Жизнь на Земле вышла на сушу только после того, как в атмосфере накопился кислород и появился озон, защищающий организмы от ультрафиолетового излучения.
В целом, исследование показывает, что СБВ из АЯГ, движимые энергией, нагревают атмосферы экзопланет более эффективно, чем ветры, движимые импульсом. Это ускоряет молекулы атмосферы до скорости, превышающей скорость выхода, срывая атмосферы. АЯГ также могут создавать оксиды азота, способные разрушать озон. Чем массивнее СМЧД, тем сильнее этот эффект.
Более того, это воздействие может распространяться на значительное расстояние от центра галактики. «Эти моделирования показывают, что для самых массивных сверхмассивных чёрных дыр эффективная область влияния простирается далеко за пределы внутренней части галактики и, возможно, включает галактическое гало в сценарии, обусловленном энергией», — пишут авторы. Это может оказать разрушительное воздействие на условия обитаемости. Однако авторы также объясняют, что если межзвёздная среда плотная, это может уменьшить зону воздействия, но только в отношении ветров, а не потери озона, вызванной частицами.
Предыдущие исследования показали, что некоторые области в Млечном Пути делают атмосферы экзопланет уязвимыми для разрушения. Фотоиспарение атмосферы под действием экстремального ультрафиолетового излучения (ЭУИ) в галактическом балдже является серьёзным препятствием для обитаемости. Но эти результаты предполагают, что «… ветры АЯГ могут влиять на планетарную среду на гораздо больших галактоцентрических радиусах, чем только УФ-излучение или ЭУИ», — пишут авторы.
«Это означает, что кинетическая обратная связь от активности АЯГ может расширить зону воздействия далеко за пределы зон гибели, обусловленных радиацией», — объясняют исследователи.
В будущих работах следует изучить комбинированное воздействие ветров АЯГ и радиации. «Поскольку наша текущая модель не учитывает радиационные эффекты, в будущих исследованиях следует изучить комбинированное влияние ветров и высокоэнергетической радиации на галактическую зону обитаемости», — поясняют авторы.
