Каменистые планеты класса Суперземли, в которых сохраняется первичная атмосфера из водорода и гелия, могут обладать температурой и давлением на поверхности, допускающими существование жидкой воды и умеренного климата в течение миллиардов лет. Такая атмосфера образуется при формировании планеты и при определённых условиях может сохраниться без замены на вторичную, как произошло на Земле. Несмотря на вероятное наличие жидкой воды и умеренный климат, условия возникновения жизни на таких планетах могут сильно отличаться от земных.
Важная предпосылка для возникновения жизни — существование на планете жидкой воды. Обычно зону поиска планет с подходящим климатом ограничивают областью вокруг звезды, в которой излучение последней поддерживает подходящую температуру, то есть от 0 до 100 °C при атмосферном давлении, равном земному. Если допустить, что давление на планете может быть сильно больше или меньше земного, эти температурные границы сдвигаются, но не слишком кардинально. Такая зона вокруг звезды называется «зоной потенциальной обитаемости» (habitability zone). В Солнечной системе в эту зону заведомо попадает Земля и, с натяжкой, Марс и Венера (в зависимости от того, как определяют её границы разные исследователи). Такой подход существенно сужает диапазон поиска, исключая из него множество небесных тел, на которых действуют другие механизмы разогрева для удержания воды в жидком состоянии. Например, жидкие океаны находятся на некоторых спутника Сатурна (Энцелад) и, возможно, Юпитера (Ганимед и Каллисто). Это миры далеко за пределами «обитаемой зоны», но температурный режим на них обеспечивается за счёт вулканической деятельности и приливных сил планет-гигантов. Другой механизм удержания тепла, который сложно учесть в общем виде — парниковый эффект из-за плотной атмосферы. Самый близкий пример здесь — даже не Венера, а Земля, на которой реальная среднегодовая температура около 14 °C ощутимо выше той, которую дают расчёты баланса солнечного излучения. Несложно рассчитать, что такая «равновесная» температура на Земле должна быть −18 °C (255K): именно к такому выводу должны были бы в первом приближении прийти обитатели других планет, изучая Землю как экзопланету и не имея сведений о составе её атмосферы. На Марсе за практическим неимением атмосферы эта дельта температур невелика: равновесная температура 210K, а средняя всего 215K.
Поскольку равновесная температура на Земле ниже точки замерзания воды, атмосфера — один из факторов, которые помогают сохранять жидкую воду на планете на протяжении длительного времени. Но земная атмосфера сильно менялась на протяжении геологической истории. Причём изменение её состава с углекислой до современной азотно-кислородной — даже не самое главное событие. Считается, что при формировании планеты атмосфера состояла в основном из водорода и гелия. Такая атмосфера называется первичной — она образуется из элементов, которые в избытке содержатся в исходном газопылевом материале. Молодые планетные системы поэтому могут накапливать оболочки из этих элементов. Со временем они, как и наша планета, теряют первичную атмосферу, иногда заменяя её вторичной, из более тяжёлых газов. В случае Земли это были, вероятно, сначала углекислый газ и азот, впоследствии, уже «в наше время», произошло сильное увеличение доли кислорода, или «кислородная катастрофа» вплоть до достижения современного состояния (почти 25% кислорода и 75% азота).
Астрофизики из швейцарских университетов промоделировали эволюцию первичной атмосферы планет в разных условиях на протяжении миллиардов лет. В качестве управляющих параметров рассматривались масса атмосферы, интенсивность излучения от звезды и внутреннее тепло планеты. Два последних параметра напрямую связаны соответственно с расстоянием до звезды и массой планеты. На Земле второй источник энергии (геотермальный нагрев) играет подчинённую роль для температуры на поверхности по сравнению с излучением Солнца: поток внутренней энергии от Земли в 5 тысяч раз меньше получаемого солнечного тепла. Однако на планетах с массивной первичной атмосферой и далеко от звезды такой источник может стать ключевым фактором сохранения благоприятных условий для жизни. Статья исследовательской группы из университетов в Берне и Цюрихе о «парниковом эффекте» на таких суперземлях вышла в июне 2022 года в Nature Astronomy.
Во многих циклах моделирования получалось, что первичная атмосфера теряется из-за интенсивного излучения звезды, особенно если планета находится слишком близко. Но если условия на планете более благоприятны и по каким-то причинам такая водородно-гелиевая атмосфера может сохраниться, то на такой планете возникают и условия для сохранения жидкой воды. Если планета обладает значительными запасами геотермального тепла, то излучение от звезды даже не так критично необходимо для поддержания теплового баланса: планета может находиться дальше от Солнца, чем предсказывают расчёты для «зоны потенциальной обитаемости». Кроме того, нахождение на большом расстоянии способствует сохранению первичной атмосферы. Суперземли — каменные планеты с массами от 1 до 10 масс Земли как раз обладают необходимым потенциалом по обоим пунктам: 1) они могут удерживать атмосферу из лёгких молекул H2 и He за счёт большой силы притяжения, и 2) они изначально могут обладать более существенными запасами внутреннего тепла по сравнению с Землёй и другими каменными планетами возле Солнца. Самое главное — такие стабильные условия на Суперземлях могут сохраняться в течение миллиардов лет. Если атмосфера планеты достаточно плотная и протяжённая — скажем, в сто или тысячу раз более протяжённая, чем земная, то умеренная среда на поверхности может сохраняться вплоть до 8 миллиардов лет. Этот срок поддержания благоприятных условий для жизни зависит от массы планеты и расстояния до звезды. По сравнению с 5 миллиардами лет истории Земли этого может быть более чем достаточно, чтобы на такой планете могли развиться сложные формы жизни, приспособленные для существования в специфической атмосфере из водорода и гелия. Тут можно даже говорить о «сверхобитаемости» — гипотетическом наборе условий, более благоприятных для развития жизни, чем земные (см. статью «Идеальная планета» — о возможных «сверхобитаемых» планетах и их поиске).
Если выводы справедливы, то диапазон условий для возможной жизни существенно расширяется. Теперь это не обязательно планеты в традиционной зоне обитаемости возле звезды: планета может находиться гораздо дальше. Больше того, условия для жизни могут существовать и на одиноких планетах без своих звёзд. Такие планеты могут встречаться в количестве, сопоставимом с количеством обычных, но пока их труднее обнаружить: даже большинство обычных экзопланет сейчас открывают по косвенным признакам, исследуя движение или светимость родительской звезды. Об открытии одной из таких планет и сопутствующих такой работе трудностях вы можете почитать в нашей более ранней статье. На другой стороне «зоны обитаемости», то есть существенно ближе к своей звезде, находится ещё один класс планет с необычными условиями, на который также недавно обратили внимание с точки зрения поисков внеземной жизни, — планеты-«горячие океаны». Вода в жидкой фазе на них может существовать также за счёт очень плотной водородной атмосферы. Для них предложен английский неологизм Hycean planets (об этой стороне расширенной зоны обитаемости также можно прочитать в более подробной заметке). Если в мирах вида «горячий океан» плотная водородная атмосфера помогает воде не испариться (принцип скороварки), то в планетах рассмотренного класса, то есть Суперземлях с сохранившейся первичной атмосферой далеко от звезды эта атмосфера создаёт парниковый эффект, помогая воде не замёрзнуть. В обоих случаях первичная атмосфера работает как термостат, увеличивая «зону обитаемости».
