Древняя история Солнца: как она повлияла на Землю

В центре нашей Солнечной системы находится Солнце, которое оказывает влияние на каждую вращающуюся вокруг него планету. В двух недавних исследованиях, финансируемых NASA, ученые выяснили, как древние события в истории Солнца могли способствовать созданию уникального климата Земли и объяснить ранее необъяснимые климатические сдвиги.

В рамках нового исследования ученые из центра SHIELD (Solar Wind with Hydrogen Ion charge Exchange and Large-Scale Dynamics) при NASA — одного из научных центров DRIVE (Diversify, Realize, Integrate, Venture, Educate) — проследили траекторию гелиосферы, гигантского пузыря, созданного нашим Солнцем, который охватывает Солнечную систему. Исследователи выяснили, как движение гелиосферы через галактику влияло на климат Земли. В другой работе ученый NASA с соавторами изучали, как молодое, менее яркое Солнце могло нагревать Землю, способствуя образованию мощных парниковых газов.

Солнце в движении

На протяжении последних десятков миллионов лет климат Земли претерпевал значительные изменения, включая известные ледниковые периоды, когда средняя глобальная температура временно понижалась на несколько градусов. В эти периоды более частые климатические колебания приводили к чередованию потепления и похолодания на Земле. Для объяснения этих циклов ученые рассматривали факторы, связанные с самой Землей, такие как изменения орбиты, парниковые газы и лед. Однако новое исследование предполагает, что изменения в окружающей среде Солнца могут быть ключом к пониманию колебаний температуры на Земле.

Подобно тому, как наша планета окружена атмосферой, вся Солнечная система находится внутри своеобразной «атмосферы», создаваемой Солнцем. Этот защитный пузырь, известный как гелиосфера, формируется непрерывным солнечным ветром — потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца во всех направлениях.

Наша гелиосфера вращается вокруг центра нашей галактики, Млечного Пути. За 4,6 миллиарда лет существования Солнца наша гелиосфера перемещалась через различные области галактики. В статье, опубликованной 21 августа в журнале Annual Review of Astronomy and Astrophysics, исследователи из SHIELD при NASA использовали компьютерное моделирование для восстановления пути гелиосферы через нашу галактику. Результаты показали, что среды, через которые она проходила, могли вызвать изменения на Земле.

Мерав Офер, ведущий исследователь SHIELD в Бостонском университете, и ее команда провели симуляции, которые показали, что за последние несколько миллионов лет Солнце как минимум трижды сталкивалось с холодными областями газа и пыли. В этих случаях массивные межзвездные «холодные облака» так сильно давили на гелиосферу, что она сжималась до размеров меньше орбиты Земли, оставляя нашу планету за пределами защитного щита Солнца.

Эти «обнажения» — примерно 2-3 миллиона лет назад, 6-7 миллионов лет назад и 13-14 миллионов лет назад — могли подвергнуть атмосферу Земли воздействию совершенно иных условий. Результаты моделирования совпадают с геологическими данными: элементы, преобладающие в межзвездной пыли, обнаруживаются в образцах донных отложений, антарктического снега и лунных образцах, относящихся к этим временным периодам.

Эти события сжатия гелиосферы также могут объяснять древние климатические закономерности на Земле. В симуляциях, когда атмосфера Земли подвергалась воздействию холодного, плотного галактического облака водорода, увеличивалось содержание водяного пара и изменялась динамика верхних слоев атмосферы, что в конечном итоге приводило к изменению условий на поверхности. Таким образом, путешествия нашей гелиосферы через более холодные регионы галактики могут быть ключевым фактором, вызывающим некоторые древние изменения климата Земли, включая возможные ледниковые периоды.

Новый рубеж в изучении гелиофизики

Центр SHIELD является одним из нескольких центров, финансируемых NASA для развития исследований гелиосферы. Как центр DRIVE Science Center, SHIELD объединяет команду исследователей с различными знаниями, подходами и мнениями для разработки модели, или «цифрового двойника», гелиосферы, которая помогает понять, как гелиосфера взаимодействует с окружающей средой, включая плотные межзвездные облака. Понимание нашей уникальной, пригодной для жизни Солнечной системы поможет разгадать тайны эволюции жизни на Земле и, возможно, обнаружить другие обитаемые звездные системы.

Молодое Солнце

В другой статье Владимир Айрапетян, ученый из Центра космических полетов имени Годдарда при NASA, рассматривает давнюю загадку того, как древнее Солнце нагревало раннюю Землю достаточно, чтобы поддерживать жизнь. Три миллиарда лет назад молодое Солнце было на 70% менее ярким, чем сегодня. При таких условиях Земля должна была быть полностью покрыта льдом. Однако геологические данные свидетельствуют о существовании стабильной жидкой воды задолго до этого. Эта загадка — теплая Земля под более холодным и тусклым Солнцем — известна как парадокс слабого молодого Солнца.

Одна из подсказок к разрешению парадокса исходит от молодых звезд, подобных Солнцу, в других частях галактики. Эти «детские» звезды склонны к вспышкам. В частности, данные с выведенного из эксплуатации космического телескопа «Кеплер» при NASA показывают, что молодые звезды, подобные Солнцу, ежедневно извергают мощные супервспышки, выбрасывая высокоэнергетические частицы во всех направлениях. Если бы наше молодое Солнце было похоже на эти другие звезды, предполагает Айрапетян, шквал высокоэнергетических солнечных частиц мог бы вызвать химические реакции, которые сыграли ключевую роль в нагреве ранней Земли.

Команда Айрапетяна смоделировала атмосферу ранней Земли в герметичной камере, смешивая молекулярный азот, аммиак, углекислый газ и угарный газ. Затем они обстреляли смесь протонами, имитируя натиск частиц от супервспышек. Этот протонный обстрел вызвал несколько изменений, включая образование закиси азота, парникового газа, в 300 раз более мощного, чем углекислый газ. Исследование было опубликовано в Astrophysical Journal Letters.

Эта закись азота могла помочь Земле удерживать тепло. Но не вся закись азота сохранялась бы. Интенсивное ультрафиолетовое излучение молодого Солнца расщепляло бы ее, разлагая молекулу обратно на азот и кислород. Но даже если бы выжила лишь 10% закиси азота, наблюдавшейся в эксперименте, подтвердили компьютерные симуляции команды Айрапетяна, она все равно нагрела бы экваториальные области Земли примерно до 5 градусов Цельсия, выше точки замерзания воды. Это меньшее количество закиси азота могло даже ускорить пребиотический синтез: было установлено, что температуры чуть выше точки замерзания более эффективны для построения сложных цепочек аминокислот, чем более теплые температуры.

Раскрывая секреты нашей звездной планетарной системы

В совокупности эти два исследования показывают, что Солнце может иметь неожиданные последствия для Земли. Хотя наша планета во многих отношениях уникальна, она сформировалась и всегда существовала как часть звездной планетарной системы. Понимание этих уникальных взаимоотношений обещает новые открытия как о Земле, так и о звезде, которая ее поддерживает.

Текст написан Дезире Аподака и Майлзом Хэтфилдом, Центр космических полетов имени Годдарда NASA, Гринбелт, Мэриленд.