Понимание обитаемости экзопланет требует лучшего знания звёздных вспышек

Один из ключевых вопросов в науке об экзопланетах касается красных карликов (M-карликов) и обитаемости планет на их орбитах. Эти звёзды известны частыми и энергичными вспышками, что является проблемой. M-карлики настолько малы, что их зоны обитаемости находятся очень близко к звезде, подвергая потенциально обитаемые планеты прямому воздействию опасных вспышек.

Астрономы изучают эту проблему, но чёткого консенсуса нет. Вопрос важен, так как до 70% звёзд Млечного Пути — красные карлики, и известно, что они являются хозяевами каменистых планет. Некоторые исследования показывают, что планеты земного типа — самый распространённый тип планет на орбитах этих звёзд.

Однако вспыхивают не только красные карлики. Это делают и солнцеподобные звёзды.

Развитие всё более мощных телескопов, как космических, так и наземных, стимулируется в том числе изучением обитаемости экзопланет. Космический телескоп PLATO от ESA, запуск которого запланирован на этот год, будет искать и характеризовать каменистые экзопланеты в зонах обитаемости.

Но наряду с увеличением выборки и улучшением знаний об экзопланетах астрономам необходимо лучше понять природу звёздных вспышек, особенно у M-карликов. Новая "белая книга", представленная в инициативу ESO "Расширяя горизонты", описывает, как можно достичь этого понимания. Она называется "Обитаемость экзопланет, вращающихся вокруг вспыхивающих звёзд". Первый автор — Ребекка Сабо из Астрономического института Чешской академии наук; работа доступна на сервере препринтов arXiv.

В начале исследований экзопланет астрономы находили много землеподобных планет в зонах обитаемости. Изначально M-карлики привлекали тем, что эволюционируют медленнее, обеспечивая более стабильные и долгоживущие зоны обитаемости. Со временем стало ясно, что эти звёзды характеризуются частыми вспышками и выбросами корональной массы, что является проблемой, поскольку именно они являются хозяевами многих известных потенциально обитаемых экзопланет.

"По состоянию на конец 2025 года существует около 70 экзопланет, которые соответствуют формальному критерию равновесных температур, допускающих наличие жидкой воды, и около 50 из них обращаются вокруг M-звёзд, известных своей сильной хромосферной активностью", — пишут авторы.

Сильная хромосферная активность включает вспышки и выбросы корональной массы, которые могут разрушать атмосферы, необходимые для обитаемости.

"Высвобождение энергии во время типичной вспышки всегда сопровождается излучением в крайнем ультрафиолетовом (EUV) и рентгеновском диапазонах, а также, как правило, извержением горячей солнечной плазмы, удерживаемой магнитным полем — выбросом корональной массы", — объясняют они.

Хотя Солнце также испускает вспышки и выбросы, его активность относительно умеренна по сравнению с некоторыми звёздами. Некоторые звёзды производят супервспышки, которые определяются как вспышки с энергией в 10 раз больше, чем у самых мощных солнечных вспышек. Красные карлики производят их чаще других, хотя супервспышки наблюдались и у некоторых солнцеподобных (G-типа) звёзд. (У Солнца супервспышки никогда не наблюдались.)

"Влияние звёздной активности на планетные среды и потенциал для жизни требуют точных оценок энергий вспышек", — пишут авторы. — "Излучение и потоки частиц глубоко влияют на планетные атмосферы".

Исследование 2019 года показывает, что высокоэнергетические вспышки, происходящие не реже одного раза в месяц, могут уничтожить озоновый слой планеты. Без него поверхность подвергается полному воздействию УФ-энергии звезды, что потенциально может её полностью стерилизовать.

Астрономы могут детально изучать активность Солнца. С другой стороны, авторы отмечают: "спектроскопическая информация о вспышках на звёздах, отличных от Солнца, скудна".

Звёздные вспышки сложны, и без их лучшего понимания вопрос об обитаемости экзопланет заходит в тупик. Остаются без ответа вопросы о частоте вспышек, их происхождении, эволюции со временем и спектре излучения вспышек. Эти вопросы затрагивают две основные проблемы.

По мнению авторов, исследователям необходима более ясная картина распределения мощности и частоты вспышек в зависимости от типа и возраста звезды. Это можно получить, наблюдая за большим количеством звёзд в течение длительного времени.

Также необходимо лучше понять опасность, которую звёздные вспышки представляют для сложной жизни. "Это исследование выиграет от сотрудничества с биологами, работающими над экстремофилами", — объясняют авторы.

Для продвижения в изучении звёздных вспышек авторы детализируют тип необходимого телескопа и требуемых наблюдений. Они указывают на Китайский широкоугольный обзорный телескоп (WFST) как на шаг вперёд. WFST — это 2.5-метровый телескоп, проводящий многоволновые исследования переменных объектов, таких как сверхновые.

Авторы объясняют, что необходим инструмент, сочетающий два вида деятельности:

1. Непрерывный мониторинг с высокой частотой наблюдений за тщательно отобранными звёздами поздних типов.
2. Последующие наблюдения за звёздами, у которых были зафиксированы вспышки в ходе мониторинга.

Предлагаемый телескоп должен соответствовать нескольким требованиям:

• Главное зеркало диаметром более 4 метров.
• Широкое поле зрения около 1–3 градусов.
• Экстремальная мультиплексность (способность наблюдать множество целей одновременно). Авторы предлагают оснастить телескоп 30 000 волокон, что позволит одновременно захватывать спектры многих звёзд. Такая мультиплексность может резко увеличить скорость и масштаб обзора.

Проблема звёздных вспышек и обитаемости не сводится только к срыву атмосфер. Исследования показывают, что для генерации биотических соединений также требуется некоторое количество УФ-излучения. Исследование 2018 года утверждает: "Мы можем связать пребиотическую химию со спектром звёздного ультрафиолетового (УФ) излучения, чтобы определить, могут ли эти реакции происходить на каменистых планетах вокруг других звёзд". Звёздные вспышки могут доставлять кумулятивное УФ-излучение, необходимое для образования биотических соединений, но его избыток может быть губительным.

В настоящее время нам известно лишь несколько десятков экзопланет, которые могут иметь подходящие условия для обитаемости. Понимание вспышек необходимо для их лучшего изучения. Проводя обзор огромного количества звёзд и их вспышечной активности, такой будущий телескоп должен преодолеть тупик в вопросе обитаемости и звёздных вспышек.

"Требуется всестороннее исследование, сосредоточенное на свойствах вспыхивающих звёзд — хозяев экзопланет и их активности, в гораздо большем масштабе, чем эти несколько десятков (скоро сотен) звёзд с обитаемыми планетами, чтобы ответить на вопрос, могут ли такие звёзды иметь обитаемые планеты", — объясняют авторы. — "Предлагаемый широкоугольный обзорный телескоп хорошо подходит для этого исследования".