У центрі більшості великих галактик, зокрема й в нашому Молочному Шляху, міститься надмасивна чорна діра. Міжзоряний газ періодично потрапляє на орбіту цих бездонних ям, перемикаючи чорну діру в режим активного ядра галактики (active galactic nucleus, AGN). Наслідком такого є поява високоенергетичного випромінювання, що поширюється по всій галактиці.
Це не те середовище, в якому могли б існувати люди, рослини чи тварини. Але в нещодавньому дивовижному своїми результатами дослідженні, які оприлюднив The Astrophysical Journal, науковці з Дартмутського коледжу та Ексетерського університету показали: випромінювання від AGN може мати парадоксальний сприятливий вплив на життя. Замість того, щоб приректи вид на загибель, воно може допомогти забезпечити його існування.
Це дослідження є, мабуть, першим, яке конкретно визначає за допомогою комп’ютерного моделювання, як ультрафіолетове випромінювання AGN може трансформувати атмосферу планети, щоб сприяти або перешкоджати життю. На підставі досліджень впливу сонячного випромінювання, дослідники виявили, що користь або шкода залежать від того, наскільки близько планета до джерела випромінювання, і чи вже з’явилося життя.
«Як тільки життя виникає і насичує атмосферу киснем, радіація стає менш руйнівною і, можливо, навіть корисною», — сказала Кендалл Сіппі (Kendall Sippy), перший автор дослідження. «Після переходу через цей міст планета стає стійкішою до ультрафіолетового випромінювання та захищеною від потенційних вимирань».
Дослідники змоделювали вплив випромінювання від AGN не лише на Землю, але й на планети, схожі на Землю, із різним складом атмосфери. Вони виявили, що якби кисень уже був присутній, радіація запустила б хімічні реакції, спричинивши зростання захисного озонового шару планети. Що більше кисню в атмосфері, то сильніший ефект.
Високоенергетичне випромінювання легко реагує з киснем, розщеплюючи молекулу на окремі атоми, які далі об’єднуються й утворюється озон. Оскільки O3 накопичується у верхніх шарах атмосфери, він відбиває все більше небезпечного випромінювання назад у космос. Своїм сприятливим кліматом Земля завдячує подібному процесу, який стався близько двох мільярдів років тому з першими мікробами, що виробляли кисень.
Високоенергетичне випромінювання Сонця допомогло новонародженому життю Землі насичувати атмосферу киснем і додавати озон. Коли захисний озоновий покрив нашої планети потовщувався, це дало змогу життю процвітати, виробляючи більше кисню та ще більше озону. Згідно із гіпотезою Ґеї (Gaia hypothesis), ці корисні петлі зворотного зв’язку уможливили появу складного життя.
«Якщо життя може швидко збагачувати атмосферу планети киснем, озон може допомогти регулювати атмосферу, сприяючи створенню умов, потрібних для розвитку життя», — сказав співавтор дослідження Джейк Іґер-Неш (Jake Eager-Nash), докторант в Університеті Вікторії. «Без механізму зворотного зв’язку, що регулює клімат, життя може швидко зникнути».
У реальному житті Земля недостатньо близько до чорної діри Галактики (Стрілець A⁕), щоб відчути її вплив, навіть у режимі AGN. Але дослідники хотіли побачити, що могло б статися, якби Земля опинилася набагато ближче до гіпотетичного AGN і, отже, піддалася б радіаційному випромінюванню в мільярди разів сильнішому.
Відтворюючи безкисневу атмосферу Землі в архейському періоді, вони виявили, що радіація практично перешкоджає розвитку життя. Але коли рівень кисню підвищувався, наближаючись до сучасного рівня, озоновий шар Землі зростав і захищав Землю від небезпечної радіації.
«З сучасним рівнем кисню це займе кілька днів, що, сподіваюся, означатиме, ― життя може вижити», — сказав Іґер-Неш. «Ми були здивовані тим, як швидко реагує рівень озону».
Коли вони подивилися на те, що може статися на планеті, схожій на Землю, у старій галактиці, де зорі скупчені ближче до її AGN, вони виявили зовсім іншу картину. У галактиці «червоний реліктовий самородок», як-от NGC 1277, наслідки були б летальними. Зорі в масивніших галактиках еліптичної форми, як-от Мессьє-87 або в нашому спіральному Молочному Шляху, розкидані більше, а отже, лежать далі від небезпечного своїм випромінювання AGN.
«Зорі зійшлися» на борту Queen Mary 2
Сіппі приїхала в Дартмут з великим інтересом до чорних дір і наприкінці другого семестру приєдналася до лабораторії Раяна Гікокса (Ryan Hickox), професора та завідувача кафедри фізики і астрономії. Пізніше, під час обговорення потенційного проєкту про випромінювання AGN, втрутилася доля.
У 2023 р. Гікокс збирався у відпустку до Англії та замовив поїздку на Queen Mary 2 (круїзний лайнер «Королева Марія 2» ― Ред.), щоб взяти з собою свого собаку Бенджаміна. На борту корабля він поспілкувався з астрофізиком із Ексетера Натаном Мейном (Nathan Mayne), який був запрошеним лектором на кораблі. Вони швидко зрозуміли, що мають спільний інтерес до випромінювання, і що програмне забезпечення PALEO, яке Мейн використовував для моделювання зоряного випромінювання в атмосферах екзопланет, можна застосувати до потужніших променів, породжених активним ядром галактики.
Ця зустріч розчистила шлях для Сіппі до роботи з Іґер-Нешем, який тоді був аспірантом у лабораторії Майна. Використовуючи мову програмування Julia, вони ввели у свою модель початкові концентрації кисню та інших атмосферних газів на планеті, схожій на Землю.
«Моделюмо кожну хімічну реакцію, яка може відбутися», — сказала Сіппі. «Отримуємо графіки кількості випромінювання, що потрапляє на поверхню на різних довжинах хвиль, і концентрацію кожного газу в атмосфері нашої модельованої планети в різні моменти часу». Петля зворотного зв’язку, яку виявили науковці в насиченій киснем атмосфері, стала несподіванкою.
«Наші співробітники не працюють з випромінюванням чорної діри, тому вони не були знайомі зі спектром чорної діри та з тим, наскільки яскравішим може бути AGN, ніж зоря, залежно від того, як близько ви перебуваєте до нього», — сказав Гікокс.
Без щасливого випадку, який об’єднав дві лабораторії, проєкт міг би ніколи не відбутися. «Це саме те розуміння, яке можна отримати, лише об’єднавши різні досвіди», ― додав він.
Після закінчення Дартмутського університету Сіппі пішла до коледжу Міддлбері, щоб працювати дослідником в лабораторії Мак-Кінлі Брамбек (McKinley Brumback). Брамбек булла аспіранткою в лабораторії Гікокса, а нині вона доцент-фізик в Міддлбері, де вивчає акреційні подвійні рентгенівські нейтронні зорі.
Вона привнесла в проєкт особливу перспективу. У рентгенівських подвійних системах, які вона вивчає, нейтронна зоря витягує речовину зі звичайної зірки, змушуючи матеріал, що падає, нагріватися та випускати рентгенівські промені.
Тоді як для активного ядра галактики може знадобитися до мільйонів років, щоб переключатися між активним і неактивним станами, рентгенівські подвійні системи можуть змінюватися від кількох днів до місяців. «Багато тієї ж фізики, яку застосовують для вивчення AGN, застосована і до рентгенівських подвійних систем, але часові масштаби набагато менші, ніж для AGN», — сказала вона.
За її словами, вона зробила внесок в аналіз AGN і була «трохи відстороненим читачем», щоб переконатися, що стаття доступна для не фахівців (експертів). «Завдяки дивовижному письму Кендалл це точно так».
За інф. з сайту https://phys.org
