Звездные атмосферы и обитаемые планеты

Планеты, рожденные в газово-пылевых дисках, окружающих молодые звезды, в начале процесса формирования должны выглядеть как большие кучи рыхлых глыб, слабо связанных друг с другом силами гравитации. Молекулы летучих веществ, содержащихся в диске, в конечном итоге становятся частью атмосферы планет — но лишь после того, как их размеры и масса вырастут настолько, что позволят им удерживать вокруг себя газовую оболочку за счет собственной силы тяжести. Состав летучей компоненты диска, в свою очередь, непосредственно связан с исходным составом газово-пылевого облака, а следовательно — с элементным составом возникающих в нем звезд. Если среди химических элементов имеется достаточное количество кислорода или азота, в системе такой звезды резко возрастают шансы формирования пригодных для жизни планет.

Но еще более интересной ситуация становится, если в протопланетных дисках уже имеются потенциальные «слагаемые» соединений, входящих в состав живых организмов. Их поиски ведет, в частности, сотрудница Лейденской обсерватории Кэтрин Уолш (Catherine Walsh), опубликовавшая в журнале Astronomy and Astrophysics статью о результатах новых исследований под названием «Сложные органические молекулы в протопланетных дисках». В работе представлена теоретическая интерпретация наблюдательных данных и описана модель возникновения сложных молекул в областях звездообразования.

Молекулы межзвездного газа испускают излучение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, заключенных между радиоволнами и инфракрасной областью. До недавнего времени не существовало достаточно мощных обсерваторий для проведения исследований именно в этих конкретных частотных диапазонах, способных получить высококачественные молекулярные спектры. Велись эпизодические наблюдения (в основном с помощью однозеркальных субмиллиметровых телескопов), однако высокого пространственного разрешения и чувствительности добиться не удавалось. Ситуация резко изменилась в2013 г., когда заработал на полную мощность Большой Атакамский субмиллиметровый массив (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array — ALMA) на плато Чахнантор в Чили.

Обсерватория, созданная в рамках крупнейшего на данный момент астрономического проекта, в завершенном виде включает в себя 66 антенн, расположенных на высоте более5000 мнад уровнем моря — выше основной массы атмосферы, блокирующей излучение небесных объектов в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра.

Сложные молекулы рассматриваются как представители «пробиотической» химии, предшествующей возникновению жизни. Самый известный пример их синтеза относится к 1952 году, когда Стэнли Миллер и Хэролд Юри (Stanley Miller, Harold Urey) в течение недели пропускали электрический разряд — аналог молний — через сосуд, заполненный метаном, водородом, аммиаком и водяным паром (эта газовая смесь должна была имитировать атмосферу ранней Земли). После этого на стенках сосуда появился оранжевый налет органических соединений, в составе которого обнаружились несколько аминокислот, встречающихся в живых организмах.

По утверждению Уолш, вопрос заключается в том, присутствуют ли сложные молекулы в протопланетных дисках и сможет ли ALMA их «увидеть»? Такие молекулы — не только потенциальные предшественники жизни: ледяные частицы, в которых они предположительно образуются, также выступают в качестве коагулянта для пылинок, способного удерживать их вместе и принимать активное участие в формировании планет.

Было проведено компьютерное моделирование среды вокруг звезд типа Т Тельца, находящихся на начальной стадии эволюции, которую молодые светила проходят перед тем, как превратиться в звезду, похожую на наше Солнце. В отличие от более «взрослых» звезд, излучение этих объектов в основном вызвано гравитационным сжатием и падением на протозвезду вещества из окружающего газово-пылевого диска. Для моделирования его химического состава были учтены температура, плотность, структура и мощность излучения.

В ходе предыдущих исследований протопланетных дисков уже были обнаружены молекулы формальдегида Н2С0. Сейчас стоит задача найти там более сложные молекулы типа метанола СН30Н — он (как и формальдегид) должен образовываться из двух наиболее распространенных в космосе веществ: водорода и моноксида углерода. Чем сложнее молекула — тем сложнее отождествить ее спектр. Тем не менее, Кэтрин Уолш уверена, что телескопу ALMA вполне по силам задача детектирования следов межзвездного метанола, а это, в свою очередь, может привести к открытию еще более сложных соединений, содержащих как кислород, так и азот. Если задача обнаружения метанола будет успешно решена, дальнейшим этапом станет уточнение деталей процесса образования этого вещества и его локализации.

Следующим шагом исследования должно стать выявление в протопланетных дисках глицина — простейшей аминокислоты, «строительного блока» белков, одного из необходимых компонентов для возникновения жизни «земного типа». Однако выполнение этой задачи находится за пределами возможностей ALMA. Для ее решения придется подождать ввода в эксплуатацию массива радиоантенн Square Kilometer Array (SKA) общей площадью в один квадратный километр, строительство которого планируют начать в Австралии и Южной Африке в2018 г. и завершить к середине 20-х годов.4 Он поможет идентифицировать сложные молекулы со спектральными линиями в более длинноволновом диапазоне (на более низких частотах) по сравнению с ALMA.

Расширение познаний об этих молекулах существенно пополнит багаж наших представлений о веществах, принимающих активное участие в процессах формирования планет, и поможет астрономам понять, каким мог быть молекулярный состав исходного протопланетного облака, в котором возникло Солнце, Земля и остальные объекты Солнечной системы.

К настоящему моменту открыты уже тысячи экзопланет. Их формирование происходит постоянно и повсеместно, а общее количество, судя по всему, сопоставимо с количеством звезд, поэтому объектов для исследования протопланетной фазы в окружающем нас пространстве предостаточно.