Астроном Петрус Мартенс из Университета штата Джорджия (США) полагает, что в древности Солнце было тяжелее, чем сегодня. Это позволяло молодой звезде светить так же ярко, как сегодня, и обеспечить пригодные для жизни условия на Земле и на Марсе. К настоящему времени светило стало легче. Исследование, доступное в библиотеке электронных препринтов arXiv.org, позволяет разрешить парадокс слабого молодого Солнца. Об истории жизнедеятельности светила рассказывает «Лента.ру».
Молодое Солнце появилось примерно 4,5 миллиарда лет назад как объект главной последовательности. В соответствии со стандартной теорией эволюции звезд в древности Солнце было примерно на 30 процентов тусклее, чем сегодня. Остается загадкой, как с таким слабым светилом на молодой Земле было достаточно тепло, чтобы обеспечить ее поверхность жидкой водой. Это противоречие получило название парадокса слабого молодого Солнца.
Парадокс актуален и для Марса, на котором сотни миллионов лет существовали моря и океаны жидкой воды, хотя Красная планета получает примерно вдвое меньше солнечного света, чем Земля.
Геологические данные указывают на то, что на Земле и Марсе вода появилась рано. Прошлое же Солнца удается узнать, наблюдая за другими звездами главной последовательности. Симуляции свидетельствуют, что звезды спектральных классов G, к которым относится ближайшее к Земле светило, а также объекты классов K и M развиваются не слишком быстро, а зона обитаемости вокруг таких звезд постепенно смещается наружу.
Парадокс слабого молодого Солнца предлагали разрешить несколькими способами. Причиной нагревания атмосферы планеты назывался сильный парниковый эффект от двуокиси углерода или метана, геотермальная энергия от первоначально более теплого, чем сегодня, земного ядра, меньшего в древности альбедо Земли, жизни, развивающейся в холодной среде под ледниковым щитом толщиной 200 метров, предлагался даже вариант с переменной гравитационной константой.
Мартенс полагает, что большинство этих объяснений имеют серьезные недостатки. Например, непонятно, когда должен остановиться парниковый эффект, чтобы не произошло того, что случилось на Венере, атмосфера которой разогрета столь сильно, что в ней практически невозможна жизнь. Кроме того, в древних геологических образцах пока не найдено достаточных следов избыточного содержания углекислого газа.
Мартенс полагает, что многие объяснения парадокса молодого Солнца учитывают только процессы, происходящие на Земле, а не на Марсе, и не предполагают объяснение этого противоречия для других планетных систем. В связи с этим американский астроном решил вспомнить старую, но непопулярную сегодня гипотезу, согласно которой древнее Солнце было более массивным, чем в настоящее время.
Относящееся к одному и тому же спектральному классу светило испускает тем больше энергии, чем оно тяжелее. Это означает, что, если в древности Солнце при современных размерах светило на 30 процентов слабее, можно подсчитать, насколько ближайшая к Земле звезда была тяжелее, чтобы светить так, как сегодня.
Около трех миллиардов лет назад, согласно оценкам ученого, светило теряло примерно 0,0000000000075 своей массы каждый год (около трех процентов начальной массы за три миллиарда лет существования); в настоящее время эта величина на два порядка ниже и несущественна для учета изменения яркости звезды. К подобным выводам ученый пришел, обратив внимание на то, что с течением времени Солнце и большинство подобных звезд замедляют вращение.
По мнению автора, это происходит из-за потери Солнцем и подобными ему звездами своей массы (при выполнении закона сохранения углового момента). Например, крупный компаньон двойной звезды 70 Змееносца примерно в 1,1 раза легче Солнца, имеет возраст 0,8 миллиарда лет и становится легче со скоростью 0,000000000003 солнечной массы в год. Для того чтобы на местных планетах возникли пригодные для существования жидкой воды условия, такой режим потери массы должен поддерживаться около 2,4 миллиарда лет.
Древние полные оледенения Земли, которые сменяются таянием воды, Мартенс объясняет достаточно прозаично — вулканической активностью, вместе с которой в атмосферу поступают парниковые газы, а также положительной обратной связью.
Потеря Солнцем и похожими светилами своих масс в древности должна была сопровождаться возникновением устойчивых и сильных солнечных (звездных) ветров. Современное Солнце не производит таких выбросов материи. Может показаться, что у светила не было причин это делать и раньше, поэтому гипотеза древнего массивного Солнца непопулярна. Мартенс полагает, что это не так: текущей скорости потери массы Солнцем недостаточно, чтобы замедлиться с начальных четырех-пяти суток до современных 26 суток.
Точка зрения Мартенса не объясняет, каким образом должна сохраниться жизнь на планете, облучаемой сильными звездными ветрами. Между тем объяснения парадокса молодого Солнца, основанные на парниковом эффекте, не теряют актуальности, к тому же с течением времени данные теории дополняются.
Например, в наполнении атмосферы Земли углекислым газом и метаном могут принимать участие не только вулканы, но и астероиды. Так, ученые создали новую модель газовыделения на Земле, которая продемонстрировала достаточную силу парникового эффекта для существования жидких океанов уже на ранних этапах развития планеты, в условиях слабого освещения. В отличие от предыдущих исследований, также предлагающих возможное объяснение наличия жидкой воды на древней Земле при помощи вулканической дегазации (выделении в атмосферу при извержениях вулканов парниковых газов), новая работа учитывает активную бомбардировку планеты астероидами.
Достигающие ста километров в диаметре, эти небесные тела при падении на Землю вызывают расплавление больших объемов пород, создающих огромные лавовые озера. По мере своего охлаждения они выпускают достаточное количество углекислого газа и таким образом разогревают атмосферу. Бомбардировка планеты, по мнению ученых, привела и к высвобождению из ее недр серы, необходимой для формирования органической жизни.