Учёные предложили новое объяснение того, почему рядом с Землёй не видно развитых цивилизаций

Большинство ближайших потенциально обитаемых экзопланет могут оказаться менее благоприятными для развития сложной жизни, чем Земля, даже если они на несколько миллиардов лет старше неё. К такому выводу пришли исследователи, оценив потенциальную фотосинтетическую продуктивность 29 ближайших потенциально обитаемых экзопланет с учётом их возраста и предполагаемых условий на поверхности. В рамках предложенной модели TRAPPIST-1e, несмотря на возраст около 7,6 миллиарда лет, соответствует лишь условной «микробной» стадии развития.

Команда под руководством Кристофера Даути из Университета Северной Аризоны предложила оценивать потенциальные темпы усложнения жизни не только по возрасту планеты, но и по количеству органического вещества, которое фотосинтезирующие организмы теоретически могли бы произвести за время существования подходящих условий. В основе работы лежит гипотеза, что накопленная фотосинтетическая продуктивность может быть одним из факторов, влияющих на скорость развития сложных экосистем.

На Земле фотосинтез превращает углекислый газ в органическое вещество и создаёт энергетическую основу большинства экосистем. Тёплые и влажные районы с достаточным количеством света обычно обладают более высокой первичной продуктивностью, чем холодные, сухие или плохо освещённые территории. Исследователи предположили, что похожие ограничения могут действовать и на других планетах.

Одним из основных объектов исследования стала TRAPPIST-1e — каменистая экзопланета примерно в 40 световых годах от Земли, расположенная в обитаемой зоне красного карлика TRAPPIST-1. Для неё уже существуют климатические модели, позволяющие приблизительно оценить распределение температуры, осадков и света на поверхности.

TRAPPIST-1e, вероятно, находится в приливном захвате, поэтому одна её сторона постоянно обращена к звезде, а другая остаётся в темноте. Такое положение значительно меняет распределение света и климата по сравнению с Землёй и ограничивает площадь, на которой мог бы происходить фотосинтез земного типа.

Исследователи использовали климатическую модель TRAPPIST-1e и рассчитали, сколько углерода потенциальная фотосинтезирующая биосфера могла бы фиксировать в течение длительного времени. Полученное значение сравнили с оценками накопленной фотосинтетической продуктивности Земли на разных этапах её истории.

По расчётам авторов, за период до появления сосудистых растений земная биосфера зафиксировала около 2,4 × 10²⁵ граммов углерода. После этого и до появления человека было зафиксировано ещё примерно 7 × 10²⁵ граммов. Эти значения исследователи использовали как условные ориентиры для сравнения с другими планетами.

Несмотря на то что TRAPPIST-1e значительно старше Земли, её расчётная накопленная фотосинтетическая продуктивность составила около 21% от земного значения. В модели этого оказалось меньше количества углерода, которое земная биосфера успела зафиксировать ещё до появления более продуктивных сосудистых растений.

На этом основании авторы отнесли возможную биосферу TRAPPIST-1e к условной «микробной стадии». Это не означает, что на планете действительно существуют микроорганизмы или что её эволюция остановилась на определённом уровне. Жизнь на TRAPPIST-1e пока не обнаружена, а такая классификация представляет собой результат сравнения модельной фотосинтетической продуктивности с историей Земли.

Тот же подход исследователи применили к 29 близким экзопланетам, которые рассматриваются как потенциально пригодные для существования жидкой воды. Для каждой из них оценивалось возможное количество энергии, доступной для фотосинтеза, с учётом характеристик звезды, возраста системы и предполагаемых условий на планете.

Большинство рассматриваемых миров обращаются вокруг красных карликов. Такие звёзды холоднее и тусклее Солнца, но живут значительно дольше него. Поэтому некоторые их планеты могут быть старше Земли на несколько миллиардов лет.

Однако большой возраст в модели не гарантирует более высокой суммарной фотосинтетической продуктивности. Недостаток света, особенности температуры, количество осадков и приливный захват могут настолько ограничивать возможный фотосинтез, что даже очень старая планета за миллиарды лет теоретически произведёт меньше органического вещества, чем Земля.

Среди 29 рассмотренных миров исследователи выделили GJ 1061c и K2-3d как планеты, для которых расчётная накопленная продуктивность может соответствовать более высокой условной эволюционной стадии по сравнению с большинством остальных объектов выборки. Обе планеты получают относительно много энергии от своих звёзд и имеют большой возраст.

Ещё для нескольких миров расчёты дали показатели, которые авторы условно сопоставили с земными этапами существования сложной многоклеточной жизни. Эти категории не являются прогнозом того, какие организмы действительно могут находиться на конкретных планетах, а служат способом сравнения результатов модели.

Расчёты также показали, что на наиболее продуктивных из рассмотренных планет главным ограничением потенциальной растительности может оказаться недостаток осадков. На Земле похожие условия характерны для пустынь, саванн и некоторых умеренных регионов, где солнечного света достаточно, но нехватка воды ограничивает рост растений.

Авторы связывают результаты и с парадоксом Ферми — вопросом о том, почему при огромном количестве звёзд и планет человечество до сих пор не обнаружило признаков развитых внеземных цивилизаций. Предложенная модель допускает, что некоторые старые планеты вокруг красных карликов могли бы развивать биосферы медленнее Земли из-за низкой фотосинтетической продуктивности.

Однако исследование не показывает, что ближайшие потенциально обитаемые планеты действительно населены микробами или что на них отсутствует разумная жизнь. Неизвестно, существует ли там жизнь вообще, использовала бы она фотосинтез и существует ли универсальная зависимость между количеством зафиксированного углерода и появлением сложных организмов.

Результаты также сильно зависят от предполагаемых атмосфер, температуры, количества воды и других характеристик экзопланет, которые пока изучены недостаточно. Новые наблюдения, в том числе с помощью космического телескопа James Webb, могут позволить точнее оценить состав атмосфер и условия на отдельных мирах.

Работа предлагает новый количественный способ сравнивать потенциальную биологическую продуктивность экзопланет. Её главный вывод состоит в том, что возраст планеты сам по себе может быть недостаточным показателем того, насколько далеко могла бы продвинуться жизнь: не менее важным фактором могут оказаться условия, определяющие доступность энергии для биосферы.

Исследование опубликовано в журнале International Journal of Astrobiology.