Повернемось у час, коли Сонце було на 30% тьмянішим, а Земля – замерзлим світом. Тоді лід став водою, а життя розквітло. Завдяки останньому дослідженню, ми можемо стверджувати, що парадокс слабкого Сонця – одна з причин існування життя на нашій планеті, проте такі висновки звужують коло можливостей для життя поза нею.

Наше Сонце збільшує свою світимість. Якби ми могли зазирнути у минуле, хоча б на 4,5 мільярди років, то на небосхилі майоріла б значно тьмяніша зоря (щонайменше на 30%), ніж та, яку ми бачимо у ясний день. З часом світимість зірок збільшується, що пояснюється процесом ядерного синтезу, який триває в ядрах усіх зірок, зокрема і нашої. Ця світимість продовжуватиме зростати до смерті зірки, що відбудеться в нашому випадку приблизно через 5 мільярдів років.

Якби ми опинились під світлом молодого, мерхлого Сонця, це б стало найбільшим катаклізмом для Землі. Середня температура мала б знизитись до -7 за Цельсієм, що унеможливлювало б існування рідкої води. «Тоді б планета повністю змерзла», – впевнений Тобі Тіррел, науковець, який вивчає земну систему в Саутгемптонському університеті, Велика Британія. «За таких умов виникнення життя просто неможливе.»

Проте воно з’явилось. Нам відомо, що рідка вода існує на поверхні нашої планети, щонайменше, 4,4 мільярда років, можливо навіть більше, з тих пір, коли випаровування води почали створювати конденсат в атмосфері. Потім планету досить швидко захопили одноклітинні форми життя. Попри те, що декілька разів все було за крок від загибелі, вода та життя збереглися донині, щоб створити для нас оазис, де ми живемо зараз.

Втім, якщо Сонце було настільки тьмяним, то як це стало можливим?

Коли Сонце було на 30% тьмянішим, Земля була досить непривітним, холодним місцем, проте останнє дослідження припускає, що така тьмяність може бути причиною існування сучасного життя.

Quanta Науковий подкаст

Парадокс слабкого Сонця, дратує вчених вже декілька десятиліть. Проте після публікації нового дослідження багато з них схильні вважати, що ми нарешті намацали корінь чинної проблеми. Старі ідеї вдосконалюються, а поряд з’являються нові, – зокрема гіпотеза існування близького місяця, що формував на нашій планеті хвилі розміром з хмарочос. Такий послідовний розвиток наукової думки, дозволяє заповнити прогалини в нашому розумінні навколишніх процесів.
Вчені дійшли висновку, що парадокс слабкого Сонця вносить важливі обмеження не тільки для виникнення земного життя, а й в розуміння того, яким воно може бути взагалі. Наш світ обертається навколо відносно спокійної зорі, і тут, попри всі обмеження, змогло зародитися життя. Чи це означає, що подібна перспектива можлива десь ще? «Це – досить фундаментальне питання, яке охоплює всю історію нашої планети та етапи, коли вона могла підтримувати життя», – переконаний Бенджамін Чарней, планетолог з Паризької обсерваторії, – «це дослідження має велике значення для пошуку екзопланет, які можуть бути придатними для життя».

Досліджуючи проблематику слабкого Сонця ми дізнаємось раніше невідомі факти про наш власний світ. Наразі ми можемо стверджувати, що та ситуація, яка колись була парадоксом, відтепер може бути причиною нашого існування.

Парадокс

В середині ХХ ст. вчені почали розуміти еволюційні механізми зірок подібних нашому Сонцю. Глибоко в ядрі зірки, водень перетворюється на гелій, випромінюючи величезну кількість енергії. Зі зменшенням кількості гідрогену, ядро починає стискатись, що збільшує швидкість термоядерної реакції та світимість зірки.

У 1958 американський астроном, німецького походження, Мартін Шварцшильд та британський астроном Фред Гойл використали цей взаємозв’язок та окремо один від одного дійшли до однакових висновків: Коли наше Сонце тільки сформувалось, то мало лише 70% від його своєї сучасної світимості. «Найперші моделі еволюції зірок прогнозували це», – розповів Джеймс Кастінг, геолог з Університету штату Пенсильванія. У 1960-х вчені почали знаходити докази існування води на Землі вже понад 4 мільярди років. Це суперечило чинним сонячним моделям, оскільки за слабкого Сонця, наша планета не могла прогрітися настільки, щоб підтримувати воду в рідкому стані. У1965 в одному дослідженні, бажаючи вирішити виявлені розбіжності, вчені запропонували гіпотезу, що Сонце насправді може бути значно старше ніж ми вважаємо або модель еволюції нашого світила «може потребувати деяких уточнень, які дозволять збільшити світимість».

Американські астрономи Карл Саган та Джордж Маллен вдалися до більш дієвої спроби вирішити цей парадокс. У 1972 вони виконали свій перший детальний аналіз проблеми молодого Сонця. Вони висунули гіпотезу, що тонка атмосфера молодої Землі могла захоплювати значно більше тепла та достатньо нагрівати планету, щоб вода залишалась рідкою. У якості парникового газу вони пропонували аміак.

Втім аміак не довго залишався відповіддю на парадокс. «Він був би знищений сонячною радіацією», – запевняє Георг Фойльнер, кліматолог з Потсдамського інституту дослідження впливу клімату. «Пізніше всі зрозуміли, що так це не працює.» В кінці 1970-х, вчені почали використовувати інший парниковий газ, двоокис вуглецю, більш відомий, як вуглекислий газ, що міг стати можливим рішенням. «В цьому рівнянні двоокис вуглецю виглядає значно краще», – переконаний Фойльнер. «З самого початку на Землі було багато вуглецю, тож логічно припустити, що з цього матеріалу може утворитися значна кількість вуглекислого газу, який заповнить атмосферу.»

Кастинг разом зі своїми колегами у 1981 році описали можливі ефекти від застосування двоокису вуглецю в моделі. Вони дійшли висновку, що вулкани могли вивільнити достатньо продуктів реакції, щоб нівелювати ефекти від парадоксу молодого Сонця. Навіть, якщо Земля повністю замерзала, що ставалось принаймні тричі, вулкани продовжили розтоплювати лід та могли зупинити цей процес. «Тепло збережене завдяки парниковому ефекту мало розтопити лід за короткий, в геологічному сенсі, проміжок часу» – пояснює Кастинг.

Проте ця гіпотеза не має достатньо переконливих доказів, оскільки ми не можемо взяти зразки тогочасної атмосфери. За відсутності геологічних підтверджень, вчені намагаються знайти інші можливі пояснення. Можливо значна кількість двоокису вуглецю зменшила кількість хмар нижнього ярусу, що мали відбивати сонячні промені назад в космос. Дослідники також не виключають варіант, що в далекому минулому Сонце було значно більшим, що дозволяло ядру підтримувати потужнішу реакцію синтезу. «Якщо ми збільшимо початкову масу Сонця всього на 5%, воно буде таке ж яскраве, яким є зараз і для нас зникне парадокс слабкого Сонця взагалі», – переконаний Піт Мартенс з Державного університету в Атланті, штат Джорджія. Проте більшість вчених ставиться до цієї гіпотези скептично.

Розв’язання проблеми слабкого Сонця вимагало кращого розуміння процесів, що тривали в найдавніші періоди існування нашої планети, зокрема гадейського періоду (за 4,6 – 4 мільярди років) та наступного архейського періоду (за 4 – 2,5 мільярди років). Вчені мали дізнатись коли на Землі з’явилась вода та виникло життя, а ще краще розібратись зі складом тогочасної атмосфери. На щастя, відповіді були не за горами.

Вода, всюди вода

На початку гадейського періоду, об’єкт розміром з Марс або у два рази більший зіштовхнувся з прото-Землею. Колосальне зіткнення сформувало місяць та фактично обнулило історію нашої планети. Очевидно, що температура планети раптово зросла, а поверхнею пронеслася хвиля магми, утворивши цілий океан розплавленої породи.

Цей магматичний океан охолонув за наступні декілька десятків мільйонів років, тоді наша планета прийняла більш знайому форму. Докази цього можна знайти в маленьких кристалах циркону.

«Циркон найстарший матеріал земних порід з відомих нам», – розповідає Дастін Трейл, фахівець в галузі наук про Землю з Рочестерського університету, який у 2018 році опублікував наукову роботу з перспектив вивчення цього мінералу. «Вони датуються 4,4 мільярдами років.» Вивчаючи пропорції різних форм кисню в кристалах цирконію, вчені виявили, що вони взаємодіяли з водою 4,38 мільярда років тому. Це вказує на існування в той час рідкої води або навіть океанів, практично одразу по завершенню фази магматичного океану. «Якщо зануритись в цей процес, то все виглядає просто дивовижно» – переконаний Трейл. «Фактично, отримані нами результати означають, що вже через 150 мільйонів років після формування сонячної системи, ми могли мати придатну для життя планету.»

Всього через 300 мільйонів років (4,1 мільярда років тому) почали з’являтися деякі докази виникнення життя. У 2015 Елізабет Белл, геолог з Каліфорнійського університету у Лос-Анджелесі разом зі своїми колегами знайшли вуглець біологічного походження всередині кристалів циркону. «Ми прогнозуємо, що маємо справу з рештками організмів, що жили понад 4,1 мільярда років тому, коли потрапили всередину цього мінералу» – розповідає Белл.

Втім ми досі не маємо надійних вимірювань присутності атмосферного двоокису вуглецю в той час. Хоча, наскільки далі ми зазираємо, ми знаходимо його у більших і більших  кількостях. У січні 2020, Оуен Лемер, планетолог з Дослідницького центру Еймса в Каліфорнії (підпорядковується NASA) разом з колегами опублікували наукову роботу в який аналізували будову метеоритів віком від 2,7 мільярда років. Вони виявили, що коли метеорити пролітали крізь атмосферу Землі, то в зберігся запис про склад атмосфери. Дослідники виявили, що тогочасна атмосфера могла складатися на 70% з двоокису вуглецю, для порівняння, зараз цей газ складає лише 0,04%.

«Тодішня атмосфера була досить багата на нього», – впевнений Лемер. «Наявність великої кількості вуглекислого газу, безумовно, могло розігріти Землі та не дати їй перетворитись на велику снігову кулю.»

І все замерзло

Температура не завжди залишалась такою приємною. В деяких випадках «термостат давав збій», – розповідає Фойльнер Близько 2,4 мільярда років тому, льодовик докотився аж до екватора. «Ми вважаємо, що тоді Земля вперше стала замерзлим світом», розповідає Андреас Пак, геохімік з Геттінгенського університету. «Цілі океани замерзли на глибину декількох сотень метрів.» Вченні припускають, що це сталось, коли занадто багато двоокису вуглецю було абсорбовано силікатними породами на поверхні та океанічному дні під час процесу вивітрювання гірських порід, проте точна причина досі невідома.

Додатковий двоокис вуглецю з вулканів певно дозволив зупинити процес замерзання. Ще через 2 мільярди років Сонце збільшило свою світимість до 80% від сучасної, що дозволило постійно підтримувати воду у рідкому стані. «З певного часу Сонце стало настільки теплим, що це дозволило підтримувати достатню інсоляцію (освітлення сонячними променями)», – переконана Рену Мальхотра, планетолог з Університету Аризони. (Крім того, Земля замерзала 700 та 635 мільйонів років тому. Певно виверження вулканів спровокували та завершили кожен з цих періодів.)

За останнє десятиліття були створені досконаліші моделі вуглецевого циклу. Вони дозволили виявити, що на початку земної історії, наша планета потребувала значно менше двоокису вуглецю ніж вчені прогнозували раніше. Інші фактори, зокрема вивільнення метану внаслідок життєдіяльності організмів, також могло посилити парниковий ефект.

В листопаді 2021, РенеХеллер з Інституту досліджень сонячної системи Макса Планка в Німеччині, разом зі своїми колегами представили інше можливе джерело тепла. Практично відразу після формування Місяць був у 15 разів ближче до Землі ніж зараз. Гравітація Місяця мала значно більший вплив та могла підіймати хвилі висотою до 2 кілометрів, неважливо води чи магми. Певно, що його гравітація також стискала та розтягувала б мантію Землі. Це створювало стрімкі теплові потоки, які збільшували температуру планети. Хоча цього недостатньо, щоб вирішити парадокс слабкого Сонця, Місяць міг надавати життєво важливе підсилення нашій планеті перші 100 – 300 мільйонів років. Це дозволило підняти температуру планети на кілька градусів та підсилити вулканічну активність на поверхні.

«Якби ми могли виявити припливне тепло, то головоломка стала б не такою важкою», – переконаний Хеллер. «Я думаю, що без припливного тепла, Земля мала перетворитись на замерзлий світ.»

Переваги слабкого Сонця

Деякі останні роботи припускають, що парадокс слабкого Сонця насправді може бути не проблемою, а рішенням. Якби Сонце мало 92-95% своєї сучасної світимості 4,5 мільярда років тому, Земля могла стати занадто гарячою, і як результат утворюється «парова планета», де вода не може конденсуватись поза атмосферою. «Землі ніколи не змогла б утворити свій перший океан», – розповідає Мартін Табет, астрофізик з Національного центру наукових досліджень Франції. «Слабке Сонце може бути необхідним фактором для придатності Землі до життя.» В його роботі, опублікованій у жовтні 2021, моделюється ранній клімат Венери. Там вчений дійшов висновку, що ця планета ніколи не була достатньо холодна для підтримання води у рідкому стані навіть під час слабкого Сонця. Якби на початку свого існування Сонце не було таким слабким, наша планета могла розділити долю своєї сусідки.

Майбутні місії до Венери, які заплановані NASA та ЄКА, шукаючи ознаки існування давньої води, зможуть підтвердити або спростувати наведену теорію. Якщо вони не знайдуть нічого, що ж нам лишається бути вдячними. «Це одна з переваг слабкого Сонця», – додав Кастинг. Гаряче Сонце мало «випарувати наші океани».

Марс – значно складніша головоломка. Згідно з новими даним з роверу NASA Perseverance, на поверхні Марса існували повноцінні ріки та озера щонайменше 3,7 мільярда років тому. Тож, досі невідомо, як це взагалі можливо, оскільки планета віддалена від Сонця на більшу відстань.

«Марс ще більше ускладнив цю проблему», – переконана Кірстен Зібах, планетологиня з Університету Райса та членкиня команди вчених, які займаються роботизованими місіями з вивчення Марса, зокрема місією Perseverance. «На давньому Марсі, парниковий ефект мав бути вдвічі потужнішим ніж на Землі зараз.» Зразки, які збирає Perseverance, повернуться на Землю у 2030-х. З них ми зможемо дізнатись чи були істинними теорії вчених.

Для планет в інших зоряних системах, проблема слабкого Сонця ставить нові обмеження для виникнення життя. У грудні 2020 Тіррел обчислив, що Земля могла стати придатною для життя випадково. Він створив комп’ютерну модель на 100 000 планет. Всі на початку були придатними для життя. Потім він використав 100 симуляцій різних кліматичних сценаріїв на кожній планеті. 91% планет в геологічній перспективі так і не змогли зберегти придатність для життя за жодного сценарію. «Успіх Землі не був неминучим, а радше став випадковим», – додав вчений. Це означає, що екзопланети для розвитку життя мають складатися з правильних компонентів та перебувати в правильних умовах, як це сталося з Землею.

Ми знаємо, що життя під слабким Сонцем можливе, і тепер знаємо чому. Лише тепер ми розуміємо, наскільки нам пощастило не стати замерзлим світом або планетою вулканів. Певним чином, клімат на нашій планеті перебував у дуже вузькому вікні між мерзлотою та жаром. Це дозволило життю на нашій планеті розвинутись, хоча декілька разів воно ледве не було знищено. «Досі йдуть палкі дискусії, щодо умов, які роблять планету придатною для життя», – розповідає Фойльнер. «Навіть на Землі, життя могло легко зникнути.»

Оригінал