Возможный сценарий ускоренного Великого окислительного события на экзопланетах вокруг звезд типа M на примере TRAPPIST-1e

Более быстрый путь к пригодным для дыхания мирам

На Земле потребовались миллиарды лет, чтобы атмосфера стала насыщенной кислородом, что открыло дорогу животным и сложной жизни. В этом исследовании задаются вопросом, могут ли некоторые отдалённые планеты достичь такого благоприятного для жизни состояния гораздо быстрее. На примере TRAPPIST‑1e, близкой по размеру до Земли планеты, обращающейся вокруг маленькой красной звезды, авторы изучают, как излучение звезды и атмосферная химия могут ускорить — или замедлить — рост кислорода и как будущие телескопы могли бы заметить такое превращение издалека.

От медленного поворота Земли к небу, богатому кислородом

«Великое окислительное событие» Земли около 2,4 миллиарда лет назад отмечает первый значительный рост кислорода в нашей атмосфере. Хотя микробы, производившие кислород посредством фотосинтеза, появились раньше, кислород оставался редким сотни миллионов лет. Геологические подсказки в древних породах вместе с компьютерными моделями показывают, что эта задержка была связана с тонким балансом: кислород должен был вырабатываться достаточно быстро и удаляться достаточно медленно, чтобы атмосфера переключилась из бедной на кислород в богатую кислородом. Одним из главных виновников удаления кислорода был метан — простой углеродсодержащий газ, который вступает в реакцию с кислородом цепью быстрых химических шагов.

Как красная звезда меняет химию

TRAPPIST‑1e обращается вокруг звезды типа M — маленькой, прохладной и красной по сравнению с нашим Солнцем. Такие звезды излучают свет с очень другим спектром, особенно в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, который управляет атмосферной химией. Используя детализированную климатическую и химическую модель, авторы рассматривают TRAPPIST‑1e как «раннюю Землю в другой системе», придавая ей схожие газы, но погружая в свет TRAPPIST‑1. Они обнаружили, что УФ‑излучение этой красной звезды благоприятствует образованию озона — молекулы из трёх атомов кислорода, формирующей защитный слой на большой высоте. На TRAPPIST‑1e этот озоновый слой появляется при гораздо более низких уровнях кислорода, чем на Земле, и в целом становится толще.

Озон как щит и ускоритель кислорода

Озон делает больше, чем просто блокирует вредные УФ‑лучи — он меняет скорость разрушения кислорода. На ранней Земле метан реагировал с кислородом через цепочку реакций, питаемых высокореактивными «радикалами», такими как OH. Новые симуляции показывают, что как на Земле, так и на TRAPPIST‑1e многие из этих радикалов образуются, когда солнечный свет разрывает перекись водорода и другие соединения на определённых УФ‑длинах волны. По мере накопления озона он поглощает тот самый УФ‑свет, перекрывая основной источник радикалов и замедляя разрушение кислорода метаном. Это создаёт петлю положительной обратной связи: больше озона — меньше радикалов — меньше потерь кислорода — что в свою очередь позволяет кислороду (и, значит, озону) ещё сильнее расти.

Более быстрый скачок к миру, богатому кислородом

Поскольку спектр TRAPPIST‑1 так эффективно усиливает озонообразование, эта положительная обратная связь запускается при более низких уровнях кислорода, чем на Земле. В моделируемом сценарии, если на TRAPPIST‑1e есть жизнь, подобная земной, производящая кислород с похожими скоростями, атмосфера планеты могла бы «переключиться» в кислородо‑богатое состояние до примерно миллиарда лет раньше, чем это произошло на Земле. Исследование также показывает, что даже скромные неабіогенные источники кислорода — например медленная потеря воды в космос в ранней истории планеты — могли бы быть достаточными для запуска этого неконтролируемого роста на TRAPPIST‑1e, тогда как тот же поток не привёл бы к такому эффекту на Земле. По сути, вокруг некоторых красных звёзд атмосферы могут иметь естественную предрасположенность к окислению.

Наблюдение отдалённого кислорода с JWST

Если TRAPPIST‑1e действительно пережила такое быстрое окисление, могли бы мы это заметить отсюда? Команда использует свои атмосферные модели, чтобы смоделировать, что увидит космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), когда планета будет проходить по диску своей звезды. Поскольку озон в модели TRAPPIST‑1e более обилен, чем в землеподобном случае, его спектральные отпечатки — небольшие провалы в свете звезды на определённых инфракрасных длинах волн — проявляются сильнее. Они обнаружили, что одна озоновая особенность около 4,6 микрометра, наблюдаемая инструментом NIRSpec JWST, может быть обнаружена при нескольких десятках повторённых транзитов, что намного меньше, чем прежние оценки, опиравшиеся на более слабую особенность при 9,7 микрометра.

Что это значит для жизни вокруг красных звёзд

Для неспециалистов вывод в том, что не все обитаемые планеты одинаковы. Вокруг некоторых красных карликов сами цвет и спектр света звезды могут облегчать формирование плотного озонового слоя и удержание кислорода задолго до того, как Земля смогла этого добиться. Это могло бы дать сложной, дышащей кислородом жизни преимущество на таких планетах. В то же время сильный озон одновременно защищает и может представлять потенциальную опасность на поверхности, а реальные перспективы фотосинтеза под красными звёздами остаются неясными. Тем не менее эта работа указывает, что близкие системы, такие как TRAPPIST‑1, представляют собой перспективные цели в поиске удалённых миров, которые уже могли сделать решающий шаг к атмосфере, богатой кислородом и благоприятной для жизни.

Цитирование: Jaziri, A.Y., Carrasco, N. & Charnay, B. Possible favored great oxidation event scenario on exoplanets around M-stars with the example of TRAPPIST-1e. Sci Rep 16, 6322 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37144-3

Ключевые слова: TRAPPIST-1e, озон, Великое окислительное событие, звезды типа M, атмосферы экзопланет