Нове дослідження показує, що інтенсивне випромінювання від квазарів може робити планети непридатними до життя.
Як надмасивні чорні діри впливають на придатність екзопланет до життя?
Міркування щодо придатності екзопланет для життя в основному стосуються відстані планети від її зорі. Якщо надто близько, будь-яка поверхнева вода випаровується у космос. Якщо занадто далеко, поверхнева вода замерзає. Обидва фактори є серйозними обмеженнями для можливості існування життя. Придатність для життя залежить від того, чи розташована екзопланета в зоні Золотоволоски, відстані від зорі, де рідка вода може існувати.
Але як щодо більшого контексту? Навіть якщо екзопланета перебуває в зоні населеності своєї зорі, інші фактори можуть забороняти населеність. Якщо Сонячна система занадто близько до надмасивної чорної діри (НЧД), яка, ймовірно, розташована в центрі всіх великих галактик, тоді не матиме значення, наскільки близько планета перебуває до своєї зорі. Приголомшлива сила НЧД зробить населеність майже неможливою.
Нове дослідження, опубліковане в The Astrophysical Journal, присвячене ролі НЧД у населеності екзопланет. Воно має назву «Вплив надмасивних чорних дір на населеність екзопланет. I. Покриття природного діапазону мас». Провідним автором є Джордан Ваас, який працює у відділі аерокосмічних, фізичних та космічних наук у Технологічному інституті Флориди.
Наднові давно привертають увагу дослідників через їхні глибокі наслідки для придатності планет для життя. Вони випромінюють потужне випромінювання, яке може стерилізувати планету, та ударні хвилі, що можуть знімати атмосфери або навіть повністю знищувати екзопланети. Саме тому дослідники замислюються, наскільки придатним для життя може бути щільно упакований балдж Чумацького Шляху, враховуючи велику кількість вибухів супернових у цьому насиченому зоряному середовищі.
Надшвидкі викиди активних галактичних ядер
Але наднові не є єдиними високоенергетичними астрофізичними явищами. Надмасивна чорна діра, що активно живиться, називається активним галактичним ядром (AGN), і хоча наднова вивільняє величезну кількість енергії за короткий час, AGN може бути набагато енергійнішою на постійній основі. «Чітке розуміння численних ролей активності надмасивних чорних дір у галактичній придатності до життя допомогло б прокласти шлях до оцінки перспектив позаземної придатності до життя та життя у Всесвіті», — пишуть автори.
НЧД, звісно, дуже масивні. Вони можуть бути в мільярди разів масивніші за Сонце. І, звичайно, вони не інертні. Вони володіють величезною гравітаційною силою та випромінюють надзвичайну енергію, коли активні. Як ці масивні, динамічні об’єкти впливають на придатність екзопланет для життя? Придатність для життя, наскільки нам відомо, вимагає атмосфери, а атмосфера екзопланети ледве є пером для активного галактичного ядра та його вітрів.
«Хоча вплив активності надмасивної чорної діри на придатність для життя привернув увагу, конкретні ефекти вітрів активного галактичного ядра (AGN), зокрема надшвидкі викиди (UFO), на атмосфери планет залишаються переважно невивченими», — пишуть автори. Це дослідження розглядає взаємозв’язок між масою НЧД, надшвидкими викидами та придатністю для життя екзопланет. «За допомогою спрощених моделей ми враховуємо різні результати, що стосуються взаємозв’язків між відстанню від планети до центральної НЧД та масою НЧД», — кажуть вони.
Загальні результати нікого не здивують. Дослідники показують, що чим масивніша центральна надмасивна чорна діра, тим швидший процес втрати маси атмосферою екзопланет і тим більше погіршується придатність для життя. Збільшення маси надмасивної чорної діри призводить до більшого нагрівання атмосфери та підвищення температур, більш високих молекулярних теплових швидкостей і посиленої втрати маси. Всі ці ефекти зменшуються з відстанню від центру галактики.
Два типи космічних вітрів та механізм їхньої дії
Активні галактичні ядра створюють вітри, які діють як зворотний зв’язок на їхні галактики-господарі. Дослідники вивчили два типи вітрів, що походять від AGN, та їхній вплив на атмосфери екзопланет. Ці два типи — енергетично-обумовлені та імпульсно-обумовлені.
Витоки AGN починаються як швидкі, дрібномасштабні вітри. Вони запускаються з акреційного диска і поширюються назовні, де врешті-решт врізаються у міжзоряне середовище. На цьому етапі система розвивається у два удари.
Один ударний фронт — це зворотний удар, який діє для уповільнення вітру. Інший — прямий удар, що втискується в навколишнє міжзоряне середовище (ISM). Події на зворотному ударі визначають, чи переважатиме вітер, керований енергією, чи керований імпульсом.
Якщо вітер охолоджується достатньо, він не може надутися і розширитися. У цьому випадку він не передає енергію, тільки імпульс, і є вітром, що рухається за рахунок імпульсу. Потік не розповсюджується ефективно і має більш обмежений вплив на галактику.
Якщо вітер недостатньо охолоджується, газ зберігає свою енергію і поводиться як бульбашка, що розширюється. Це вітер, що рухається енергією, і він набагато ефективніший у викиданні газу з галактики. Він також більш ефективний у нагріванні атмосфер екзопланет.
Озонове виснаження атмосфер екзопланет
Дослідники також вивчали озонове виснаження. Зоряні спалахи виробляють енергетичні частинки, які можуть утворювати оксиди азоту, здатні руйнувати озон на Землі. «Враховуючи їхні екстремальні швидкості, варто дослідити, чи можуть вітри активних ядер галактик, особливо UFO зі швидкостями ∼ 0,1c та постшоковими швидкостями порядку O (1000) км/с, сприяти озоновому виснаженню в атмосфері, подібній до земної», — пишуть автори.
Вони виявили, що руйнування озону збільшується з масою ЧД і близькістю до AGN. Більш масивні ЧД виробляють потужніші вітри AGN і більше оксидів азоту, і в результаті руйнування озону є більшим. У їхніх моделях руйнування озону зменшується з відстанню від AGN. «Вітри, що виникають через енергію, спричиняють трохи більше руйнування, ніж ті, що рухаються через імпульс», — пояснюють дослідники.
Ключовим у дослідженні є те, що зниження озону зростає зі збільшенням маси НЧД та зменшується із відстанню від центру галактики, при цьому майже повна втрата озону (∼100 %) відбувається на галактичних масштабах для НЧД ≥ 10⁸ сонячних мас у випадку, керованому енергією. Це показує, що значна втрата озону відбувається в більшості внутрішніх регіонів галактики. Це означає, що майже повне виснаження озону може бути найуніверсальнішим і найширшим атмосферним наслідком вітрів AGN.
Розрідження озонового шару не обов’язково прирікає на непридатність для життя. Але це може обмежити життя в океанах. Життя на Землі втiкло на сушу лише після того, як в атмосфері накопичився кисень і з’явився озон, який захищав організми від ультрафіолетового випромінювання.
Чорні діри впливають на придатність до життя, зокрема через руйнування атмосфер
У цілому, дослідження показує, що енергетично керовані надшвидкі викиди AGN (UFO) ефективніше нагрівають атмосфери екзопланет, ніж вітри, керовані імпульсом. Це прискорює атмосферні молекули до швидкості втечі, знімаючи атмосфери. AGN також може створювати оксиди азоту, які можуть руйнувати озон. Чим масивніша чорна діра, тим більший ефект.
Навіть більше, ефект може поширюватися на велику відстань від центру галактики. «Ці симуляції свідчать, що для найбільш надмасивних чорних дір ефективна зона впливу поширюється значно далі за межі внутрішньої галактики й потенційно включає галактичне гало в сценарії, керованому енергією», — пишуть автори. Це може бути згубним для придатності для життя. Однак автори також пояснюють, що якщо міжзоряне середовище щільне, це може зменшити область впливу, але лише для вітрів, а не для втрати озону, спричиненої частинками.
Попередні дослідження показали, що деякі регіони Чумацького Шляху роблять атмосфери екзопланет вразливими до руйнування. Атмосферна фотоевапорація, зумовлена XUV-випромінюванням, у галактичному потовщенні є серйозною перешкодою для придатності для життя. Але ці результати свідчать, що «…вітри активних галактичних ядер можуть впливати на планетарні середовища на набагато більших галактоцентричних радіусах, ніж лише UV чи XUV», — кажуть автори.
У майбутніх роботах слід дослідити комбінований вплив вітрів AGN та випромінювання. «Оскільки наша поточна модель не враховує радіаційні ефекти, комбінований вплив вітрів та високоякісного випромінювання на галактичну зону придатності для життя варто вивчати у майбутніх дослідженнях», — пояснюють автори.
За матеріалами phys.org
