Открыта химическая «зона Златовласки»: обитаемость планет зависит от содержания кислорода в ядре

Исследователи из Центра происхождения и распространенности жизни в ETH Zurich выявили новый фактор, определяющий пригодность экзопланет для жизни. Оказывается, для наличия необходимых элементов — фосфора и азота — в мантии планеты требуется строго определенное количество кислорода во время формирования её ядра.

Фосфор и азот являются ключевыми элементами для возникновения и поддержания жизни. Фосфор входит в состав ДНК и РНК, а азот — в состав белков. До сих пор при оценке обитаемости планет основное внимание уделялось наличию жидкой воды, магнитного поля и положению в зоне обитаемости вокруг звезды. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, показывает, что химический состав планеты играет не менее важную роль.

В процессе формирования каменистой планеты, когда она представляет собой расплавленный шар, тяжелые элементы, такие как железо, опускаются в ядро. Фосфор обладает сродством к железу (сидерофильность) и при недостатке кислорода связывается с ним, образуя фосфид железа, и уходит в ядро, становясь недоступным для будущей биосферы. Если кислорода слишком много, то азот, наоборот, может улетучиться в атмосферу и покинуть планету.

Ученые под руководством Крейга Уолтона смоделировали процессы формирования ядра при разном содержании кислорода. Они обнаружили существование узкого диапазона летучести кислорода (фугитивности), при котором и фосфор, и азот остаются в мантии в достаточных количествах. Этот диапазон они назвали «химической зоной Златовласки» — по аналогии с зоной обитаемости, где вода может быть жидкой.

Моделирование показало, что Земля идеально попадает в эту химическую зону. Если бы во время её формирования кислорода было чуть больше или чуть меньше, фосфор или азот оказались бы в дефиците, и жизнь, вероятно, не смогла бы возникнуть. А вот Марс, согласно расчетам, находится за пределами зоны: в его мантии фосфора достаточно, но азота явно меньше, что могло стать одной из причин его бесплодности.

Полученные результаты имеют важное значение для поиска обитаемых миров за пределами Солнечной системы. Астрономы могут оценивать химический состав звезды, поскольку планеты наследуют его из протопланетного диска. Если звезда существенно отличается от Солнца по содержанию элементов, то её планеты вряд ли попадут в химическую зону Златовласки. Таким образом, поиски следует сосредоточить на звездах, подобных нашему Солнцу.

Исследование также подчеркивает, что обитаемость — это результат множества факторов, которые должны совпасть с ювелирной точностью. Огромное количество планет во Вселенной само по себе не гарантирует распространенности жизни. Скорее всего, планеты, пригодные для жизни, такие как Земля, встречаются относительно редко, поскольку требуют уникального сочетания условий, включая химический состав.

Авторы работы отмечают, что следующим шагом должна стать оценка фугитивности кислорода у экзопланет во время их формирования. Это поможет интерпретировать возможные биосигнатуры и сузить круг объектов для поиска внеземной жизни. Понимание химической эволюции планет приближает нас к ответу на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной.