Как излучение черных дыр может способствовать развитию жизни

В центре большинства крупных галактик, включая наш Млечный Путь, находится сверхмассивная черная дыра. Межзвездный газ периодически попадает на орбиту этих бездонных провалов, переводя черную дыру в режим активного галактического ядра (AGN), которое выбрасывает высокоэнергетическое излучение по всей галактике.

Не самое ожидаемое место для процветания растений или животных. Однако в недавнем удивительном исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal, ученые из Дартмута и Эксетерского университета показали, что излучение AGN может оказывать парадоксально благотворное влияние на жизнь. Вместо обречения вида на забвение, оно может способствовать его успеху.

Это исследование, возможно, первое, которое с помощью компьютерного моделирования конкретно измерило, как ультрафиолетовое излучение AGN может трансформировать атмосферу планеты, помогая или препятствуя жизни. В соответствии с исследованиями воздействия солнечного излучения, ученые обнаружили, что польза или вред зависят от близости планеты к источнику излучения и от того, успела ли жизнь уже закрепиться.

"Как только жизнь возникает и насыщает атмосферу кислородом, излучение становится менее разрушительным и, возможно, даже полезным", — говорит ведущий автор исследования Кендалл Сиппи. "Как только этот мост перейден, планета становится более устойчивой к УФ-излучению и защищенной от потенциальных событий вымирания".

Исследователи смоделировали воздействие излучения AGN не только на Землю, но и на похожие на Землю планеты с различным составом атмосферы. Они обнаружили, что если кислород уже присутствует, излучение запускает химические реакции, заставляя защитный озоновый слой планеты расти. Чем больше кислорода в атмосфере, тем сильнее эффект.

Высокоэнергетический свет легко реагирует с кислородом, расщепляя молекулу на отдельные атомы, которые рекомбинируют с образованием озона. По мере накопления O₃ в верхних слоях атмосферы, он отражает все больше опасного излучения обратно в космос. Земля обязана своим благоприятным климатом схожему процессу, произошедшему около двух миллиардов лет назад с появлением первых кислородпродуцирующих микробов.

Излучение Солнца помогло зарождающейся жизни Земли насытить атмосферу кислородом и добавить озон. По мере утолщения защитного озонового слоя планеты, жизнь получила возможность процветать, производя больше кислорода и, соответственно, больше озона. Согласно гипотезе Геи, эти полезные петли обратной связи позволили возникнуть сложной жизни.

"Если жизнь может быстро насытить кислородом атмосферу планеты, озон может помочь регулировать атмосферу, создавая условия, необходимые для роста жизни", — говорит соавтор исследования Джейк Игер-Нэш, ныне постдок в Университете Виктории. "Без механизма обратной связи, регулирующего климат, жизнь может быстро погибнуть".

В реальности Земля недостаточно близка к своей черной дыре, Стрельцу A*, чтобы ощутить ее эффекты, даже в режиме AGN. Но исследователи хотели посмотреть, что могло бы произойти, если бы Земля была намного ближе к гипотетическому AGN и, следовательно, подвергалась излучению в миллиарды раз сильнее.

Воссоздав бескислородную атмосферу Земли в архейскую эру, они обнаружили, что излучение практически исключило бы возможность развития жизни. Но по мере роста уровня кислорода, приближающегося к современному, озоновый слой Земли увеличивался бы и защищал поверхность от опасного излучения.

"При современных уровнях кислорода это заняло бы несколько дней, что, будем надеяться, означало бы, что жизнь могла бы выжить", — говорит Игер-Нэш. "Мы были удивлены тем, как быстро отреагировали бы уровни озона".

Когда они рассмотрели, что могло бы произойти на похожей на Землю планете в более старой галактике, где звезды расположены ближе к ее AGN, картина оказалась совершенно иной. В галактике-"красном самородке", такой как NGC 1277, эффекты были бы смертельными. Звезды в более массивных галактиках эллиптической формы, таких как Мессье 87, или в нашей спиральной галактике Млечный Путь, распределены более разреженно и, следовательно, дальше от опасного излучения AGN.

Судьбоносная встреча на борту Queen Mary 2

Сиппи приехала в Дартмут с острым интересом к черным дырам и к концу второго семестра присоединилась к лаборатории Райана Хикокса, профессора и заведующего кафедрой физики и астрономии. Позже, обсуждая потенциальный дипломный проект по излучению AGN, вмешалась судьба.

Отправляясь в Англию в академический отпуск в 2023 году, Хикокс забронировал поездку на Queen Mary 2, чтобы взять с собой свою собаку Бенджамина. На борту корабля он разговорился с астрофизиком из Эксетера Натаном Мэйном, который был приглашенным спикером на судне. Они быстро поняли, что их объединяет интерес к излучению, и что программное обеспечение PALEO, которое Мэйн использовал для моделирования солнечного излучения на атмосферах экзопланет, можно применить к более мощным лучам AGN.

Эта встреча открыла путь для Сиппи к сотрудничеству с Игер-Нэшем, который в то время был аспирантом в лаборатории Мэйна. Используя язык программирования Julia, они ввели в свою модель начальные концентрации кислорода и других атмосферных газов на своей планете земного типа.

"Она моделирует каждую возможную химическую реакцию", — говорит Сиппи. "Она возвращает графики того, сколько излучения попадает на поверхность на разных длинах волн, и концентрацию каждого газа в вашей модельной атмосфере в разные моменты времени".

Обнаруженная ими петля обратной связи в насыщенной кислородом атмосфере была неожиданной.

"Наши коллабораторы не работают над излучением черных дыр, поэтому они не были знакомы со спектром черной дыры и с тем, насколько ярче AGN может быть по сравнению со звездой в зависимости от близости к нему", — говорит Хикокс.

Без судьбоносной встречи, объединившей две лаборатории, проект мог бы никогда не состояться.

"Это тот тип инсайта, который можно получить, только объединив разные области экспертизы", — добавляет он.

После окончания Дартмута Сиппи уехала в Миддлбери-колледж, чтобы работать исследователем после бакалавриата в лаборатории МакКинли Брамбэк, Guarini Ph.D. Брамбэк работала в лаборатории Хикокса в качестве аспирантки, а сейчас является доцентом физики в Миддлбери, изучая аккрецирующие рентгеновские двойные системы с нейтронными звездами.

Она привнесла в проект уникальную перспективу. В изучаемых ею рентгеновских двойных системах нейтронная звезда перетягивает вещество от обычной звезды, вызывая нагрев падающего материала и испускание рентгеновских лучей.

В то время как AGN могут переключаться между активным и неактивным состояниями за миллионы лет, рентгеновские двойные системы могут меняться за считанные дни или месяцы. "Много той же физики, что применима к AGN, применимо и к рентгеновским двойным, но временные масштабы намного быстрее, чем у AGN", — говорит она.

Брамбэк внесла вклад в анализ AGN и выступила в роли "слегка отстраненного читателя", чтобы убедиться, что статья доступна неспециалистам.

"Благодаря отличному письму Кендалл, она определенно была такой".