Odkryli moment krytyczny gwiazd. Od niego zależy los planet
Astronomowie obserwujący niebo przez kosmiczne obserwatorium Chandra zauważyli coś, co nie pasuje do żadnego z dotychczasowych modeli. Młode gwiazdy podobne do Słońca uspokajają się znacznie szybciej, niż przewidywała teoria. Właśnie to wyciszenie może być powodem, dla którego życie na Ziemi w ogóle miało szansę powstać.
Każda gwiazda ma swoją młodość. I podobnie jak ludzkie nastolatki, młode gwiazdy bywają niespokojne, gwałtowne i bardzo, bardzo intensywne. Nasze własne Słońce – dziś łagodna gwiazda w średnim wieku, mająca około 4,6 mld lat – kiedyś też przeżywało taki burzliwy okres. Tyle że jego skala wymyka się jakimkolwiek wyobrażeniom.
Trzymilionowa gwiazda o masie zbliżonej do Słońca emituje średnio około tysiąc razy więcej promieniowania rentgenowskiego niż dzisiejsze Słońce. Stumilionowa wciąż około 40 razy więcej. Promieniowanie rentgenowskie to ten sam rodzaj fal elektromagnetycznych, który wykorzystuje się w gabinetach lekarskich do prześwietleń klatki piersiowej. Tyle że tu mowa o ilościach kosmicznych, dosłownie. Gdyby Ziemia krążyła wokół takiej młodzieńczej gwiazdy, każda jej cząstka byłaby nieustannie bombardowana strumieniami wysokoenergetycznych fal.
I właśnie na takie gwiazdy postanowił spojrzeć zespół badaczy z Pennsylvania State University, korzystając z kosmicznego obserwatorium Chandra – teleskopu krążącego wokół Ziemi i wyspecjalizowanego w rejestrowaniu promieniowania rentgenowskiego. Wyniki zaskoczyły nawet samych naukowców.
Tu się nic nie zgadza
Badanie opublikowane na łamach The Astrophysical Journal objęło osiem gromad gwiazd w wieku od 45 mln do 750 mln lat. Gromada to skupisko gwiazd, które powstały mniej więcej w tym samym czasie z jednego obłoku gazu i pyłu.
Naukowcy zmierzyli, ile promieniowania rentgenowskiego emitują te gwiazdy i porównali wyniki z dotychczasowymi modelami. Wzory używane przez astronomów od lat zakładały, że da się dość precyzyjnie obliczyć aktywność gwiazdy na podstawie jej wieku i tempa rotacji wokół własnej osi. Im starsza i wolniej kręcąca się gwiazda, tym mniej promieniowania powinna wytwarzać.
Tyle że Chandra pokazała coś zupełnie innego. Gwiazdy o masie zbliżonej do Słońca emitowały zaledwie 1/4 do 1/3 tego, co powinny zgodnie z przyjętymi równaniami. A w pewnej fazie życia (określanej przez naukowców mianem nastoletniej) spadek aktywności okazał się około 15 razy szybszy, niż wynikało to z modeli. Jest to rozbieżność na tyle duża, że wymusza ponowne przemyślenie tego, co wiemy o młodości gwiazd typu słonecznego.
Dlaczego promieniowanie X ma aż takie znaczenie dla życia?
Tu pojawia się pytanie, które powinno zainteresować każdego, kto zastanawia się, czy jesteśmy we Wszechświecie sami. Dlaczego w ogóle zajmować się tym, ile promieniowania emitują młode gwiazdy?
Odpowiedź na to pytanie jest dramatyczna w swojej brutalnej prostocie. Potężne promieniowanie rentgenowskie potrafi dosłownie zedrzeć atmosferę z każdej planety, która ma nieszczęście znaleźć się na jego celowniku. Te wysokoenergetyczne fale z niesamowitą furią uderzają w cząsteczki gazów tworzących ochronny płaszcz globu, brutalnie wyrywając je z objęć grawitacji i rozrzucając w zimnej pustce kosmosu. To zjawisko przypomina potężny, niewidzialny huragan. Wyobraźmy to sobie tak, jakby kosmiczna wichura przez setki milionów lat bezlitośnie zdmuchiwała z planety jej życiodajną bańkę – warstwa po warstwie, bez końca, aż w mroku zostaje z niej wyłącznie naga, spalona skała.
A planeta bez atmosfery to planeta bez szans na życie, jakie znamy. Bez atmosfery nie utrzymują się stabilne temperatury. Nie krąży woda. Nie powstają złożone cząsteczki organiczne, z których kiedyś musiały zbudować się pierwsze formy życia. Im dłużej gwiazda pozostaje w fazie nastoletniej wściekłości, tym mniejsza szansa, że którakolwiek z otaczających ją planet zdoła wykształcić warunki sprzyjające biosferze.
Skoro gwiazdy podobne do Słońca uspokajają się szybciej, niż dotąd zakładano, to okno czasowe, w którym ich planety są bombardowane zabójczym promieniowaniem, jest węższe. Atmosferom łatwiej przetrwać. A to oznacza, że zamieszkiwalnych światów może być w naszej galaktyce więcej, niż dotąd sądziliśmy.
Nasze Słońce kiedyś wyglądało tak samo
Nasze Słońce 4 mld lat temu wyglądało dokładnie tak, jak młode gwiazdy obserwowane teraz przez Chandrę i prawdopodobnie zachowywało się podobnie. To znaczy, że emitowało setki, a potem dziesiątki razy więcej promieniowania rentgenowskiego niż dziś, a w pewnym momencie zaczęło się wyciszać szybciej, niż zakładały dotychczasowe wzory.
Współautor badania z należącego do NASA Centrum Lotów Kosmicznych imienia Roberta H. Goddarda sugeruje, że to właśnie tej cesze możemy zawdzięczać własne istnienie. Gdyby Słońce w okresie, w którym na Ziemi powstawały pierwsze warunki sprzyjające życiu, pozostawało aktywne tak długo, jak przewidywały dotychczasowe modele, atmosfera naszej planety mogłaby zostać zerodowana, zanim chemia organiczna zdążyłaby się rozwinąć. Być może dziś nikt nie czytałby tego tekstu, gdyby Słońce nie wyciszyło się w odpowiednim momencie.
To stawia pytanie, które brzmi filozoficznie, ale jest jak najbardziej naukowe: ile innych planet w naszej galaktyce miało podobne szczęście? Jeśli takie wyciszanie się gwiazd typu słonecznego jest regułą, a nie wyjątkiem, to liczba potencjalnie zamieszkiwalnych światów rośnie. I to rośnie dramatycznie.
Mniejsze gwiazdy to większy problem
Nowe odkrycie dotyczy konkretnie gwiazd o masie zbliżonej do masy Słońca. Gwiazdy mniej masywne zachowują się zupełnie inaczej. Zachowują wysoki poziom emisji promieniowania X znacznie dłużej. Niektóre nawet przez miliardy lat.
To niestety bardzo zła wiadomość dla scenariuszy zakładających, że wokół czerwonych karłów masowo rozkwitają biosfery. Czerwone karły to najliczniejszy typ gwiazd w galaktyce (jest ich więcej niż wszystkich innych gwiazd razem wziętych) i są częstymi celami poszukiwań egzoplanet, czyli planet krążących wokół innych gwiazd niż Słońce. Tyle że jeśli ich aktywność rentgenowska utrzymuje się przez tak długi czas, atmosfery ich planet mogą po prostu nie wytrzymać tego bombardowania.
Z tej perspektywy gwiazdy podobne do naszego Słońca jawią się jako potencjalnie najlepsi gospodarze dla planet z trwałymi atmosferami. Względnie krótka faza młodzieńczej aktywności, połączona ze spadkiem energii emitowanego promieniowania i zanikaniem strumieni naładowanych cząstek, tworzy okno czasowe, w którym chemia prebiotyczna ma szansę przetrwać i rozwinąć się w coś bardziej skomplikowanego.
Skąd bierze się to nieoczekiwane wyciszenie?
Naukowcy mają pewne hipotezy, ale dokładnego mechanizmu jeszcze nie znają. Klucz tkwi prawdopodobnie w czymś, co astronomowie nazywają dynamem gwiazdowym. To wewnętrzny proces, który generuje pole magnetyczne gwiazdy. To odpowiada za większość tego, co dzieje się na powierzchni gwiazdy: napędza rozbłyski gwiazdowe, czyli gwałtowne wybuchy energii, podgrzewa zewnętrzną atmosferę gwiazdy zwaną koroną i jest źródłem promieniowania rentgenowskiego.
Najpopularniejszy scenariusz zakłada, że w pewnym momencie życia gwiazdy proces generowania pola magnetycznego staje się mniej efektywny. Wewnętrzne ruchy plazmy, czyli gorącego, naładowanego elektrycznie gazu, które wcześniej skutecznie wytwarzały silne pole, zaczynają tracić moc szybciej, niż zakładała teoria. Dlaczego dokładnie tak się dzieje, pozostaje zagadką. Naukowcy zapowiadają dalsze badania.
Sami badacze przyznają, że dotychczasowe równania opisujące tempo wyciszania się gwiazd opierały się na stosunkowo skąpych danych z tego konkretnego przedziału wiekowego. Gromady w wieku kilkuset milionów lat były słabo przebadane w paśmie rentgenowskim, więc modele bazowały głównie na ekstrapolacji, czyli dorabianiu krzywej tam, gdzie nie było pomiarów. Teraz, gdy Chandra dostarczyła twardych danych, okazuje się, że ta ekstrapolacja po prostu nie trafiała.
Trzy obserwatoria, jedna układanka
Do badania wykorzystano dane z trzech źródeł, bo żaden teleskop sam by sobie z takim zadaniem nie poradził. Główne obserwacje pochodzą z kosmicznego obserwatorium Chandra, które od ponad dwóch dekad rejestruje promieniowanie rentgenowskie z najodleglejszych zakątków Wszechświata.
Zespół wykonał nowe zdjęcia pięciu gromad w wieku od 45 mln do 100 mln lat, a do tego sięgnął do archiwalnych danych Chandry oraz starszej misji ROSAT – niemiecko-brytyjsko-amerykańskiego teleskopu rentgenowskiego z lat 90. Dzięki temu udało się przeanalizować trzy bardziej leciwe gromady, w wieku od 220 mln do 750 mln lat.
Trzecim źródłem była europejska misja Gaia, która od lat tworzy najbardziej szczegółową trójwymiarową mapę naszej galaktyki. To właśnie dzięki Gai naukowcy mogli precyzyjnie określić, które z obserwowanych gwiazd faktycznie należą do badanych gromad, a które tylko przypadkowo znalazły się w polu widzenia teleskopów rentgenowskich. Bez tej selekcji wyniki byłyby zaszumione przez gwiazdy z pierwszego planu i tła, a cała analiza straciłaby wiarygodność.
