Новое исследование показывает, что интенсивное излучение квазаров может делать планеты непригодными для жизни.
Как сверхмассивные черные дыры влияют на пригодность экзопланет к жизни?
Рассуждения о пригодности экзопланет для жизни в основном касаются расстояния планеты от ее звезды. Если она находится слишком близко, любая вода на поверхности испаряется в космос. Если слишком далеко, вода на поверхности замерзает. Оба фактора являются серьезными ограничениями для возможности существования жизни. Пригодность для жизни зависит от того, расположена ли экзопланета в зоне Златовласки, расстоянии от звезды, где может существовать жидкая вода.
Но как насчет более широкого контекста? Даже если экзопланета находится в зоне обитаемости своей звезды, другие факторы могут исключать возможность жизни. Если Солнечная система находится слишком близко к сверхмассивной черной дыре (СЧД), которая, вероятно, расположена в центре всех крупных галактик, то не будет иметь значения, насколько близко планета находится к своей звезде. Ошеломляющая сила СЧД сделает обитаемость практически невозможной.
Новое исследование, опубликованное в журнале The Astrophysical Journal, посвящено роли сверхмассивных черных дыр в обитаемости экзопланет. Оно носит название «Влияние сверхмассивных черных дыр на обитаемость экзопланет. I. Охват естественного диапазона масс». Ведущим автором является Джордан Ваас, работающий в отделе аэрокосмических, физических и космических наук Технологического института Флориды.
Сверхновые давно привлекают внимание исследователей из-за их серьезных последствий для пригодности планет к жизни. Они излучают мощное излучение, способное стерилизовать планету, и ударные волны, которые могут срывать атмосферы или даже полностью уничтожать экзопланеты. Именно поэтому исследователи задаются вопросом, насколько пригодным для жизни может быть плотно заселенный балдж Млечного Пути, учитывая большое количество взрывов сверхновых в этой насыщенной звездной среде.
Сверхбыстрые выбросы активных галактических ядер
Но сверхновые не являются единственными высокоэнергетическими астрофизическими явлениями. Активно питающаяся сверхмассивная черная дыра называется активным галактическим ядром (AGN), и хотя сверхновая высвобождает огромное количество энергии за короткое время, AGN может быть гораздо энергичнее на постоянной основе. «Четкое понимание многочисленных ролей активности сверхмассивных черных дыр в галактической пригодности к жизни помогло бы проложить путь оценки перспектив внеземной пригодности к жизни и жизни во Вселенной», — пишут авторы.
СЧД, конечно, очень массивны. Они могут быть в миллиарды раз массивнее Солнца. И, конечно, они не инертны. Они обладают огромной гравитационной силой и излучают чрезвычайную энергию, когда активны. Как эти массивные, динамические объекты влияют на пригодность экзопланет для жизни? Пригодность для жизни, как нам известно, требует атмосферы, а атмосфера экзопланеты едва является пером для активного галактического ядра и его ветров.
«Хотя влияние активности сверхмассивной черной дыры на пригодность для жизни привлекло внимание, конкретные эффекты ветров активного ядра галактики (AGN), в частности сверхбыстрых выбросов (UFO), на атмосферы планет остаются в основном неизученными», — пишут авторы. Это исследование рассматривает взаимосвязь между массой СЧД, сверхбыстрыми выбросами и пригодностью экзопланет для жизни. «С помощью упрощенных моделей мы учитываем различные результаты, касающиеся взаимосвязей между расстоянием от планеты до центральной СЧД и массой СЧД», — говорят они.
Общие результаты никого не удивят. Исследователи показывают, что чем массивнее центральная сверхмассивная черная дыра, тем более быстрый процесс потери массы атмосферой экзопланет и тем больше ухудшается пригодность для жизни. Исследователи утверждают, что увеличение массы сверхмассивной черной дыры приводит к большему нагреву атмосферы и повышению температур, более высоким молекулярным тепловым скоростям и усиленной потере массы. Все эти эффекты уменьшаются с расстоянием от центра галактики.
Два типа космических ветров и механизм их действия
Активные галактические ядра создают ветры, которые действуют как обратная связь на их галактики-хозяева. Исследователи изучили два типа ветров, происходящих от AGN, и их влияние на атмосферу экзопланет. Эти два типа — энергетически обусловленные и импульсно обусловленные.
Истоки AGN начинаются как быстрые, мелкомасштабные ветры. Они запускаются с аккреционного диска и распространяются наружу, где в конце концов врезаются в межзвездную среду. На этом этапе система развивается в два удара.
Один ударный фронт — это обратный удар, действующий для замедления ветра. Другой – прямой удар, вдавливаемый в окружающую межзвездную среду (ISM). События на обратном ударе определяют, будет ли ветер, управляемый энергией, или управляемый импульсом.
Если ветер охлаждается достаточно, он не может надуться и расшириться. В этом случае он не передает энергию, только импульс, и является ветром, двигающимся за счет импульса. Поток не распространяется эффективно и оказывает более ограниченное влияние на галактику.
Если ветер недостаточно охлаждается, газ сохраняет свою энергию и ведет себя как расширяющийся пузырь. Это ветер, движущийся энергией, и он гораздо эффективнее в выбрасывании газа из галактики. Он также более эффективен в нагреве атмосфер экзопланет.
Озоновое истощение атмосфер экзопланет
Исследователи также изучали озоновое истощение. Звездные вспышки создают энергетические частицы, которые могут образовывать оксиды азота, способные разрушать озон на Земле. «Учитывая их экстремальные скорости, следует исследовать, могут ли ветры активных ядер галактик (AGN), особенно UFO со скоростями 0,1c и постшоковыми скоростями порядка O (1000) км/с, способствовать озоновому истощению в атмосфере, подобной земной», — пишут авторы.
Они обнаружили, что разрушение озона увеличивается с массой ЧД и близостью к AGN. Более массивные ЧД производят более мощные ветры AGN и больше оксидов азота, и в результате разрушение озона больше. В их моделях разрушение озона уменьшается с расстоянием от AGN. «Ветры, возникающие из-за энергии, вызывают несколько большее разрушение, чем те, что движутся через импульс», — объясняют исследователи.
Ключевым моментом в исследовании является то, что снижение содержания озона усиливается с увеличением массы НЧД и уменьшается с удалением от центра галактики, при этом почти полная потеря озона (∼100 %) происходит в галактических масштабах для НЧД ≥ 10⁸ солнечных масс в случае, определяемом энергией. Это показывает, что значительная потеря озона происходит в большинстве внутренних регионов галактики. Это означает, что почти полное истощение озона может быть самым универсальным и самым широким атмосферным следствием ветров AGN.
Разжижение озонового слоя не обязательно обрекает на непригодность для жизни. Но это может ограничить жизнь в океанах. Жизнь на Земле убежала на сушу только после того, как в атмосфере накопился кислород и появился озон, защищавший организмы от ультрафиолетового излучения.
Черные дыры влияют на пригодность к жизни, в частности из-за разрушения атмосфер
В целом, исследование показывает, что энергетически управляемые сверхбыстрые выбросы AGN (UFO) более эффективно нагревают атмосферы экзопланет, чем ветры, управляемые импульсом. Это ускоряет атмосферные молекулы до скорости бегства, снимая атмосферу. AGN также может создавать окислы азота, которые могут разрушать озон. Чем массивнее черная дыра, тем больший эффект.
Более того, эффект может распространяться на огромное расстояние от центра галактики. «Эти симуляции свидетельствуют, что для наиболее сверхмассивных черных дыр эффективная зона воздействия распространяется значительно дальше пределов внутренней галактики и потенциально включает галактическое гало в сценарии, управляемом энергией», — пишут авторы. Это может быть губительным для пригодности для жизни. Однако авторы также объясняют, что если межзвездная среда плотная, это может уменьшить область воздействия, но только для ветров, а не для потери озона, вызванного частицами.
Предыдущие исследования показали, что некоторые регионы Млечного Пути делают атмосферы экзопланет уязвимыми к разрушению. Атмосферная фотоэвапорация, обусловленная XUV-излучением, в галактическом утолщении является серьезным препятствием для жизни. Но эти результаты свидетельствуют, что «…ветра активных галактических ядер могут влиять на планетарные среды на гораздо больших галактоцентрических радиусах, чем только UV или XUV излучение», — говорят авторы.
В будущих работах следует изучить комбинированное влияние ветров AGN и излучения. «Поскольку наша текущая модель не учитывает радиационные эффекты, комбинированное влияние ветров и высококачественного излучения на галактическую зону годности для жизни следует изучать в будущих исследованиях», — объясняют авторы.
По материалам phys.org
