Когда Солнце было в младенческом состоянии четыре миллиарда лет назад, оно продуцировало сильные вспышки интенсивного излучения, распространяя потоки высокой энергии и частицы по всей Солнечной системе. Как не удивительно, эти вспышки помогли появиться жизни на ранней Земле, вызвав химические реакции, которые поддерживали нашу планету теплой и влажной. Тем не менее, эти события могли быть и разрушающими, и они, возможно, предотвратили возникновение жизни в других мирах, лишив их атмосфер и выбросив в космос необходимые химические вещества.
Увы — до последнего времени ученые ничего не знали об этой части истории Солнца, говорит Прабал Саксена, астрофизик из Центра космических полетов Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. Саксена изучает, как космическая погода, вариации солнечной активности и другие радиационные условия в космосе влияют на поверхности планет и лун. Но теперь он с коллегами пришел к выводу, что Луна содержит подсказки к древним тайнам Солнца, которые имеют решающее значение для понимания развития жизни.
«Мы не знали, как Солнце выглядело в свой первый миллиард лет, а ведь это важно, потому что оно, вероятно, влияло на атмосферу Венеры и на то, как быстро она теряла воду. Вероятно, Солнце также повлияло на потерю Марсом своей атмосферы и на изменение химических процессов в атмосфере Земли», — сказал Саксена.
Связь Солнца и Луны
Саксена наткнулся на исследование тайны вращения раннего Солнца, размышляя о, казалось бы, совершенно несвязанных вещах: почему, раз Луна и Земля сделаны в основном из одного и того же материала, в лунном реголите значительно меньше натрия и калия, чем в земной почве?
Этот вопрос, также выявленный в результате анализа образцов Луны времен полетов Аполлонов и лунных метеоритов, обнаруженных на Земле, озадачивал ученых на протяжении десятилетий — в том числе, он бросил вызов ведущей теории о том, как образовалась Луна.
Согласно этой теории, наш естественный спутник сформировался, когда объект размером с Марс врезался в Землю около 4,5 миллиардов лет назад. Сила этого столкновения была настолько велика, что отправила часть материалов на орбиту, где они и сформировали Луну.
«Раз Земля и Луна образовались из одинаковых материалов, то возникает вопрос — почему на Луне меньше этих элементов?» — говорит Розмари Киллен, планетолог из Центра Годдарда, которая исследует влияние космической погоды на планетарные атмосферы и экзосферы.
Эти два ученых стали подозревать, что эти два вопроса связаны друг с другом — иными словами, ранняя история Солнца похоронена в лунной коре.
Предыдущие исследования Киллен положили начало совместной работе этих команд. В 2012 году она помогла имитировать влияние солнечной активности на количество натрия и калия на поверхности Луны, которые могут «сдуваться» с нее потоком заряженных частиц от Солнца, известных как солнечный ветер, или из-за мощных извержений, известных как выбросы корональной массы.
В своем моделировании Саксена использовал математическое соотношение между скоростью вращения звезды и активностью ее вспышек. Это вывод был получен учеными, которые изучали активность тысяч звезд, обнаруженных космическим телескопом «Кеплер»: чем быстрее они вращаются, тем более сильными становятся выбросы. «Когда вы узнаете о других звездах и планетах, особенно о таких звездах, как наше Солнце, вы начинаете получать более полную картину того, как Солнце эволюционировало со временем», — сказал Саксена.
Используя сложные компьютерные модели, Саксена и Киллен с коллегами думают, что они, наконец, ответили на оба вопроса. Их компьютерное моделирование, которое они описали 3 мая в The Astrophysical Journal Letters, показывает, что раннее Солнце вращалось медленнее, чем 50% других молодых звезд. По их оценкам, в течение своего первого миллиарда лет Солнцу потребовалось не менее 9-10 дней, чтобы совершить один оборот.
Они определили это, моделируя эволюцию нашей Солнечной системы с медленной, средней и быстро вращающейся звездой. И они обнаружили, что только одна версия — медленно вращающаяся звезда — способна послать нужное количество заряженных частиц на поверхность Луны, чтобы со временем «выбить» в космос большую часть натрия и калия и оставить лишь то их количество, которые мы видим в реголите с Луны сейчас.
«Космическая погода, вероятно, была одним из основных факторов, повлиявших на эволюцию всех планет Солнечной системы, — говорит Саксена, — поэтому любое исследование обитаемости планет должно учитывать это».
Жизнь под ранним Солнцем
«Правильная» скорость вращения раннего Солнца частично отвечает за жизнь на Земле. Но для Венеры и Марса — каменистых планет, похожих на Землю — она, наоборот, могла помешать этому. Меркурий же, самая близкая к Солнцу скалистая планета, никогда не имел шансов на возникновение жизни из-за крайне неблагоприятных условий.
Атмосфера Земли когда-то сильно отличалась от текущей, в которой преобладает кислород и азот. Когда Земля образовалась 4,6 миллиарда лет назад, оставшиеся от газопылевого диска водород и гелий окружили ее тонкой оболочкой. Но вспышки молодого Солнца в течение 200 миллионов лет «сдули» ее в космос.
По мере затвердевания земной коры вулканы постепенно создавали новую атмосферу, наполняя воздух углекислым газом, водяным паром и азотом. В течение следующего миллиарда лет ранняя бактериальная жизнь потребляла этот углекислый газ и в обмен выделяла метан и кислород в атмосферу. Остывающая Земля также создала магнитное поле, которое помогло защитить атмосферу от солнечного ветра, и она постепенно наполнилась кислородом, которым мы дышим сегодня.
«Нам повезло, что атмосфера Земли пережила те ужасные времена», — сказал Владимир Айрапетян, старший гелиофизик и астробиолог научного центра имени Годдарда, который изучает, как космическая погода влияет на обитаемость планет земной группы. Айрапетян работал вместе с Саксеной и Киллен над исследованием раннего Солнца.
Если бы наше Солнце вращалось с той же скоростью, что и большинство других молодых звезд, оно бы извергало вспышки в 10 раз мощнее, чем мы видели за всю историю наблюдений, по крайней мере 10 раз в день. Магнитного поля Земли было бы уже недостаточно, чтобы защитить атмосферу. Солнечный ветер уничтожил бы ее, снизив атмосферное давление настолько, что на Земле не смогла бы существовать жидкая вода. «Земля могла стать гораздо более суровым местом», — отметил Саксена.
Но Солнце вращалось в идеальном темпе для Земли, которая процветала в лучах молодой звезды. Однако, Венера и Марс не были так удачливы. Венера когда-то была покрыта водными океанами и, возможно, была обитаемой. Но из-за многих факторов, в том числе солнечной активности и отсутствия внутреннего генерируемого магнитного поля, Венера стала терять водород — один из двух компонентов воды. В результате, согласно оценкам, ее океаны испарились в течение первых 600 миллионов лет существования планеты. Атмосфера стала плотной от углекислого газа, тяжелой молекулы, связи в которой сложно разорвать. Все это в итоге привело к безудержному парниковому эффекту, который нагрел поверхность Венеры до 400 градусов, что слишком горячо для известной нам жизни.
Марс, находящийся дальше от Солнца, чем Земля, может показаться более защищенным от вспышек звезды. Тем не менее, он изначально имел меньшую защиту, чем наша планета. Из-за слабого магнитного поля и низкой гравитации Солнце постепенно смогло «сдуть» с Красной планеты воздух и воду. Примерно 3,7 миллиарда лет назад атмосфера Марса стала настолько тонкой, что на поверхности больше не могла существовать жидкая вода. Однако она все еще есть на планете, замороженная в полярных шапках и в почве.
Оказав влияние на течение жизни (или ее отсутствие) на внутренних планетах, стареющее Солнце постепенно замедлило свой темп и продолжает это делать. Сейчас оно совершает один оборот раз в 27 дней, что в три раза медленнее, чем на ранней стадии развития. Более медленное вращение делает его намного менее активным, хотя Солнце до сих пор временами продуцирует достаточно сильные вспышки.
Изучение Луны — свидетеля эволюции Солнечной системы
Чтобы больше узнать о раннем Солнце, по словам Саксена, нам вполне подойдет Луна, один из наиболее хорошо сохранившихся артефактов молодой Солнечной системы.
«Причина, по которой Луна становится действительно полезным калибратором и окном в прошлое, заключается в том, что у нее нет раздражающей атмосферы и тектоники плит, которые обновляют кору», — сказал он. «Таким образом, вы можете сказать: «эй, если солнечные частицы или что-то еще ударяет по ней, то почва Луны должна продемонстрировать это».
Проба лунного грунта с Аполлона-11 (да, Луна коричневая).
Образцы с Аполлонов и лунные метеориты являются отличной отправной точкой для исследования ранней Солнечной системы, но они представляют собой лишь маленькие кусочки в большой и загадочной головоломке. Образцы взяты из небольшого района вблизи лунного экватора, а ученые не могут с полной уверенностью сказать, с какой области Луны прилетели метеориты, что затрудняет их размещение в геологическом контексте.
Поскольку на Южном полюсе нашего спутника находятся постоянно затененные кратеры, где мы ожидаем найти наиболее хорошо сохранившиеся материалы, в том числе замерзшую воду, НАСА планирует направить экспедицию людей в этот регион к 2024 году.
Если астронавты смогут получить образцы лунного грунта из самой южной области Луны, это может дать больше информации о скорости вращения юного Солнца, сказал Айрапетян, который подозревает, что солнечные частицы могли отклоняться бывшим магнитным полем Луны 4 миллиарда лет назад и скапливаться на полюсах. «Таким образом, мы ожидаем, что химический состав этой части Луны, которая сильнее подвергалась воздействию молодого Солнца, будет сильно отличаться от экваториальных областей», — говорит Айрапетян. «Так что нам предстоит изучить еще очень многое».
