Экзопланеты разрешили загадку Солнца и помогли поискам Земли-2

Когда астрономам указывают на оторванность изучения звезд от проблем народного хозяйства, они часто отшучиваются фразами вроде «да ты на себя посмотри – ты сам «дитя звезды» на 90%». И действительно, большая часть нашего тела состоит из кислорода, углерода и водорода, при этом водород — основная составляющая межзвездного газа —добавляет массе лишь примерно 10%. Все остальные элементы «сварены» в ходе термоядерных реакций, протекавших в недрах самых разных звезд.

Незвездные элементы

Есть, однако, несколько химических элементов, к образованию которых звезды практически непричастны. Помимо уже упомянутого водорода это элементы номер 3, 4 и 5 в таблице Менделеева – литий, бериллий и бор. Все они появились в первые минуты жизни Вселенной, когда наш мир был очень горячим и плотным, и в нем могли идти ядерные реакции. Это время называется эпохой первичного нуклеосинтеза.

Биологические процессы, в которых литий, бериллий или бор играли бы заметную роль, ученым неизвестны. Впрочем, замечено, что совсем без бора зверям живется плохо, а растениям так и вовсе жизни нет. Литий же находит важное применение в лечении психических расстройств – в первую очередь, маниакально-депрессивного синдрома. По не до конца понятным причинам соли лития смягчают у больных приступы тоски и бурной деятельности, и ими даже можно лечить больную голову.

Литиевый недостаток

Вот и у астрономов недостаток лития уже 60 лет – более полувека! – вызывает головную боль. Правда, речь идет о дефиците этого элемента на Солнце, а не в принимаемой нами пище. На Земле лития достаточно – и как раз это обстоятельство путает все карты. Если бы лития было мало и на Солнце, и на Земле, недостаток можно было бы списать на деятельность предшествующих поколений звезд (Солнце – звезда примерно третьего поколения, составляющее ее вещество уже дважды побывало в недрах других звезд).

Однако, куда ни глянь в нашей Солнечной системе – под ноги, на другие планеты, в спектры комет или во внутренности реликтовых метеоритов – лития в них примерно столько же, сколько предсказывает теория первичного нуклеосинтеза (с поправкой на деятельность прежних поколений звезд). А вот на Солнце его почему-то в сотни раз меньше, чем положено. Куда же подевался литий с поверхности нашей звезды?

Уничтожение снизу

Ученым известен способ избавиться от этого элемента. При высоких температурах ядра лития вступают в реакцию с ядрами водорода (протонами) и распадаются на два ядра гелия. Нужная температура (около трех миллионов градусов) существует в глубоких слоях Солнца. Так что если существует способ эффективно перемешивать наше светило до большой глубины, богатые литием поверхностные слои будут опускаться вниз, где литий превращается в гелий, и возвращаться обратно уже без лития.

Такое перемешивание на Солнце действительно наблюдается, по-научному оно называется конвекцией. Огромная внешняя оболочка нашей звезды постоянно бурлит, горячие пузыри плазмы из глубины звезды непрерывно поднимаются к поверхности. Остывшее вещество тем временем тонет, опускаясь к горячему центру, где нагревается и вновь устремляется наверх. Так происходит уже несколько миллиардов лет.

Проблема в том, что конвективная зона в Солнце не опускается до слоев с температурой три миллиона градусов. Как ни мучили теоретики свои модели строения звезд, избавиться от лития в Солнце не получается. Чтобы конвекция проникла глубже, нужен другой химический состав, другая скорость вращения – и, вообще, совсем не те параметры, что наблюдаются у Солнца в действительности.

Планеты против лития

Проблема очень серьезная. Она доводила некоторых ученых до того, что они пытались переписать теорию ядерных реакций или предполагали, что вся Солнечная система возникла из одного газопылевого облака, а Солнце – из другого. А уж сколько было попыток поменять теорию строения светила, лучше и не считать. Однако решения все нет. Более того, найдено немало других звезд, похожих на Солнце, у которых лития очень мало. При этом остаются внешне вроде бы не отличающиеся светила, у которых элемента столько, сколько надо. В общем, головоломка, да и только.

Пять лет назад группа европейских ученых под руководством армянского астрофизика Гарика Исраеляна, профессора Института астрофизики на Канарских островах, предложила связать дефицит лития с другой очевидной особенностью нашей звезды – наличием у него планетной системы. Их идея, грубо говоря, сводится к утверждению: «на Солнце нет лития, потому что у него есть планеты».

В новой работе, опубликованной в свежем номере Nature, Исраелян и его коллеги представили надежные свидетельства, что это действительно так. Ученые сравнили следы лития в точнейших спектрах похожих на Солнце звезд, у части из которых есть планеты, а у других нет. Как оказалось, у звезд с планетами лития действительно меньше, зачастую в сотни раз – так же, как у Солнца. И эту разницу в содержании лития не объяснишь другими эффектами – возрастом, температурой, особенностями химического состава и так далее. Ключевым является именно наличие планет.

Миграционное перемешивание

Впрочем, объяснение это не полное. В среднем у звезд с планетами лития действительно меньше. Тем не менее, и среди них остаются светила, лития в которых достаточно. В то же время есть бедные литием звезды, у которых планет нет (по крайней мере, как кажется сейчас).

Как именно планеты влияют на содержание лития, по-прежнему остается только гадать. Но задумок у астрономов, похоже, достаточно. Оригинальная идея 2004 года состояла в том, что ключ к разгадке – в миграции крупных планет, таких как Юпитер, в первые миллионы лет жизни планетной системы.

«Такая миграция может привести к тому, что планеты передадут часть своего вращения звездной атмосфере, – пояснил Гарик Исраелян в интервью Infox.ru. – Атмосфера звезды будет вращаться быстро, а нижние слои – медленно. Это приведет к уничтожению лития».

По словам ученого, можно предположить, что Юпитер образовался примерно на 30% дальше от Солнца, чем он движется сейчас, а позднее мигрировал на нынешнюю орбиту, что помогло перемешать солнечное вещество и уничтожить литий. И, кстати говоря, доказательств миграции Юпитера и Сатурна в далеком прошлом нашей планетной системы у ученых все больше. «В будущем мы сможем проверить эту теорию», – уверен астрофизик.

След Земли

Что же касается настоящего, то нынешняя работа сможет существенно упростить работу тем астрономам, которые занимаются поисками планет у других звезд. В последние годы стало понятно, что у таких звезд в среднем выше содержание тяжелых элементов, и это позволило резко сузить круг светил, за которыми приходится наблюдать, чтобы открыть планеты.

Недостаток лития позволит сузить «круг подозреваемых» еще сильнее. И чтобы найти похожие на Землю миры, астрономам не придется долгие годы каждую ночь пялиться на тысячи бесперспективных светил. Можно будет один раз получить спектр, измерить содержание элементов и отобрать для дальнейших наблюдений лишь звезды, в которых много тяжелых элементов и мало лития. Именно там больше всего шансов увидеть новую Землю.