Ранее я не раз затрагивал на Хабре тему древнего марсианского климата, и эта тема пришлась сообществу по вкусу. Считаю, что наиболее интересными получились статьи «Удушливые озёра гесперийского периода. Модели углекислотной гидросферы Марса» (+57), «Последнее лето Марса» (+60) и «Когда Олимп был островом» (+37). Определённо, вам доводилось читать, что рельеф и осадочные породы Марса, к настоящему времени изученные роверами в разных регионах планеты, указывают, что ранее климат на этой планете был значительно более тёплым и влажным, чем сегодня.

Однако ни эти данные, ни экстраполяция условий земной биосферы на два-три миллиарда лет назад, когда на нашей планете формировалась аэробная жизнь, не согласуются с другой фундаментальной астрофизической моделью. Дело в том, что, согласно современным представлениям, древнее Солнце было гораздо более тусклым, чем современное, поскольку термоядерные реакции в нашей звезде активизировались постепенно. Поэтому свежесобранные Земля и Марс, сформировавшиеся из планетезималей, должны были получать гораздо меньше света и тепла, чем сегодня — что не согласуется с геологическими данными о земном палеоклимате.

Это несоответствие, впервые отмеченное в середине 1970-х, великий астроном Карл Саган сформулировал как «Парадокс слабого молодого Солнца» (Faint Young Sun Paradox). Под катом будет подробнее разобран данный парадокс, а также проанализированы некоторые версии, призванные его объяснить.

Парадокс слабого молодого Солнца переходит из статуса авторитетной гипотезы в ранг теории, так как благодаря космическим телескопам мы можем наблюдать на разных стадиях развития другие звёзды, подобные Солнцу. Напомню, что, согласно диаграмме Герцшпрунга-Расселла, иллюстрирующей жизненный цикл звёзд, Солнце является жёлтым карликом (спектральный класс G) и сейчас переживает «средний возраст».

А вот краткая схема эволюции такой звезды как Солнце:

Суть парадокса заключается в том, что, согласно имеющимся астрофизическим моделям, около 4 миллиардов лет назад энергетический выход Солнца должен был составлять примерно 70% от нынешнего, а само светило также должно было светить на 30% слабее, чем сегодня. Одним из следствий этих выкладок является модель «Земля-снежок», которую я ранее рассматривал на Хабре в статье «Земля-снежок — ретроспектива и перспектива». Тем не менее, геологические данные с этим не согласуются; судя по древнейшим сохранившимся породам, 4-3 миллиарда лет назад на Земле была жидкая вода, и температура, как правило, оставалась положительной. Это поспособствовало зарождению и развитию жизни. Речь об обилии карбонатов в осадочных породах и о древних кристаллах циркона, найденных в Австралии. При этом предполагается, что период «Земли-снежка» был относительно кратким и пришёлся на эпоху 700-640 миллионов лет назад.   

Согласно имеющимся данным, светимость Солнца стабильно возрастает в течение не менее чем 3,8 миллиарда лет, и из-за этого Земля должна стать непригодной для жизни современного типа примерно ещё через миллиард лет, хотя в результате эволюции жизнь может приспособиться к изменяющимся условиям и просуществовать на Земле немного дольше. Схожим образом рост светимости Солнца должен повлиять и на марсианский климат; эту тему я рассматривал на Хабре в статье «Последнее лето Марса».

Древний парниковый эффект

Первые научные замечания об этом парадоксе относятся к рубежу 1950-х — 1960-х. В 1958 году немецко-американский астрофизик Мартин Шварцшильд и знаменитый британский астроном Фред Хойл независимо пришли к выводу, что около 4 миллиардов лет назад светимость Солнца должна была быть гораздо меньше современной. Это прямо следовало из самых первых моделей звёздной эволюции. Но уже к 1960 году появились первые геохимические доказательства присутствия жидкой воды на поверхности Земли около 4 миллиардов лет назад. Первые попытки разрешить это противоречие сводились к тому, что, либо Солнце старше, чем мы полагаем, либо светимость нашей звезды развивалась нелинейно.

Первую попытку объяснить парадокс не через уточнение эволюции Солнца, а через понимание земного климата предприняли в 1972 году американские учёные Карл Саган и Джордж Маллен. Они предположили, что первобытная земная атмосфера была богата аммиаком, а также обогащалась водяным паром по мере того, как на Землю попадали и таяли кометы. Однако аммиак не мог оказывать парникового эффекта в долгосрочной перспективе, так как этот газ быстро расщепляется солнечным ультрафиолетом. Значительно более вероятным триггером парникового эффекта должен был служить углекислый газ, который выбрасывали в атмосферу действующие вулканы. При этом кислорода в атмосфере почти не было, равно как и не было зелёных растений, способных перерабатывать избыточный углекислый газ в углеводы с выделением кислорода.

Одна из самых логичных гипотез, объясняющих наличие жидкой воды в таких условиях, связана с тем, что состав древней земной атмосферы принципиально отличался от современного и поэтому давал мощный парниковый эффект. Вероятная смесь, допускавшая существование жидкой воды на поверхности Земли около 4 миллиардов лет назад — углекислый газ, метан, водяной пар и водород.

Парниковые газы удерживают тепло, не давая ему улетучиваться с поверхности планеты. Однако сама планета нагревается тем сильнее, чем меньше её альбедо (отражающая способность). На древней Земле не было ледников и должны были преобладать вулканические ландшафты, сложенные тёмными базальтовыми породами, из-за чего альбедо Земли было значительно ниже современного и также разгоняло парниковый эффект. При этом даже при частичном обледенении вокруг действующих вулканов должны были сохраняться незамерзающие оазисы с сильно минерализованной водой, что возвращает нас к модели «маленького тёплого пруда». На Земле сохранилась специфическая экосистема в районе антарктического вулкана Эребус, о которой я ещё планирую рассказать на Хабре, однако, согласно современным представлениям, земной климат в период зарождения жизни в значительно большей степени зависел от тектонической активности и от бомбардировки астероидами и кометами, чем от постепенного разгорания Солнца.

Парадокс слабого молодого Солнца пользуется растущим интересом именно сейчас, поскольку его разрешение подсказало бы, каковы общие предпосылки для возникновения жизни на скалистых планетах вблизи от молодых звёзд, а также какие факторы влияют на жизнепригодность таких планет.

Поздняя тяжёлая бомбардировка

Поздняя тяжёлая бомбардировка — это гипотетически вероятный период в ранней истории Солнечной системы, последний этап бурного столкновения почти сформировавшихся планет с кометами, астероидами и последними планетезималями. Она продолжалась на протяжении от 300 до 600 миллионов лет и закончилась примерно 3,5 миллиарда лет назад. По-видимому, эти столкновения не только сообщили Земле дополнительную механическую энергию, которая при ударе превратилась в тепловую. Тем самым не только была разогрета поверхность планеты, но и усилен парниковый эффект благодаря высвобождению сернистых газов и углекислого газа из литосферы. Продолжая анализ древнейших цирконов, современные учёные сдвигают начало движения тектонических плит на период между 3 и 4 миллиардами лет назад. Границы тектонических плит совпадают с сейсмически активными зонами, зонами субдукции и островными вулканическими дугами. Напомню конфигурацию литосферных плит на Земле:

В течение первого миллиарда лет своей истории Земля не только постоянно подвергалась ударам астероидов и комет, но и, вероятно, могла расколоться от контакта с планетой «околоземного» размера, которая условно называется «Тейя». Такие контакты приводили к локальным катастрофам, сопоставимым с последствиями ядерных взрывов. Тем не менее, в глобальном масштабе такая астероидно-кометная бомбардировка стабилизировала температуру, обогащала Землю водой и жизненно важными элементами. По-видимому, аналогичные процессы происходили на Венере, Марсе и даже на Меркурии, но только на Земле, благодаря тектонике плит, по окончании поздней тяжёлой бомбардировки сложился устойчивый и благоприятный для развития жизни гомеостаз.

Применительно к другим звёздам

Насколько мы можем судить по имеющимся у нас астрофизическим моделям, ситуация, подобная парадоксу слабого молодого Солнца, складывается на раннем этапе развития всех жёлтых карликов (звёзд спектрального класса G) и в меньшей степени выражена у красных карликов из спектральных классов K и M. Все эти звёзды постепенно разгораются, поэтому зона обитаемости постепенно отодвигается от светила. Состав парниковых газов на скалистых планетах также должен постепенно меняться. Углекислый газ, вероятно, накапливается в атмосфере сравнительно поздно, в результате вулканических выбросов. Значительно более простое соединение углерода — метан CH₄, чей парниковый эффект примерно на 25% сильнее, чем у углекислого газа. Но метан в атмосфере долго не задерживается, так как распадается под действием ультрафиолета. Вероятно, ранняя атмосфера скалистых планет, в том числе, Земли, содержала значительные объёмы водорода, который сам не является парниковым газом, но активизирует образование водяного пара, являющегося парниковым газом. Это был остаточный водород, основная часть которого пошла на образование Солнца и планет-гигантов.

Каппа Кита — аналог молодого Солнца

Сегодня есть основания полагать, что неяркость молодого Солнца могла оказаться спасительной для ранней земной жизни. Если допустить, что орбиты планет земной группы действительно расширяются по мере развития звезды (планеты отодвигаются от светила), то многие скалистые планеты, подобно Марсу, проводят в зоне обитаемости слишком мало времени, из-за чего условия для формирования жизни на них не успевают сложиться. Если бы 4,5 миллиарда лет назад яркость Солнца составляла бы 92% от современной (или более), то в течение первого миллиарда лет существования Земля свалилась бы в ловушку взрывного парникового эффекта и превратилась в мир, подобный Венере.

В 2021 году астроном Мартин Турбет из Французского национального центра научных исследований представил модель, согласно которой Венера никогда не была достаточно прохладной, чтобы там могла существовать жидкая вода. Граница зоны обитаемости в нашей системе всегда пролегала между Венерой и Землёй, поэтому стало проще искать пары «звезда-планета», которые находятся на том этапе развития, который принято соотносить с «парадоксом слабого молодого Солнца».

Одну из первых таких пар открыл в 2010 году Кристофер Карофф, в тот период работавший в университете Бирмингема, а сейчас занимающий кафедру в университете Орхуса, исследовавший звезду каппа¹ Кита, расположенную примерно в 30 световых годах от Земли. Эта звезда – молодой жёлтый карлик (ей около 700 миллионов лет), светимость которого сейчас составляет около 85% от солнечной. Сейчас эта звезда активно изучается и подсказывает ещё один важный фактор, способствующий развитию жизни. Оказывается, жёлтый карлик на данной стадии развития даёт гораздо больше солнечных факелов, чем современное Солнце. Если бы сейчас на Солнце происходили такие выбросы, это приводило бы к сильнейшим магнитным бурям и даже к катастрофам, подобным событиям Мияке. Но на этапе формирования планет мощные корональные выбросы провоцируют благотворный Форбуш-эффект, открытый в 1937 году американским астрофизиком Скоттом Форбушем. В результате Форбуш-эффекта кратковременно резко снижается интенсивность галактических космических лучей, попадающих в область формирования планет из-за пределов звёздной системы. Такие вспышки ненадолго увеличивают температуру на молодой планете, а также провоцируют формирование облаков в её атмосфере, усиливая парниковый эффект.

Вероятно, интенсивность солнечных факелов — один из последних определяющих факторов жизнепригодности планет, без понимания которого нам не удаётся восстановить раннюю историю земной биосферы. Я кратко затрагивал эту тему в статье «Негостеприимные красные карлики». Складывается картина, согласно которой период «слабого молодого Солнца» только в истории жёлтого карлика является кратким (сотни миллионов лет) и оставляет на формирование зоны обитаемости и насыщение планет водой около миллиарда лет, но в системах красных карликов он должен быть гораздо продолжительнее (миллиарды лет), что, однако, не располагает к формированию сложных биосфер в таких мирах, постоянно оставляя их на грани высыхания. Но, надеюсь, мне удалось показать, что «парадокс слабого молодого Солнца» скорее является редким стечением обстоятельств, ведущих к запуску климатических и геофизических механизмов обратной связи. Возможно, редкость таких обстоятельств объясняет, почему мы до сих пор не обнаружили внеземную жизнь.