Для образования планеты требуется немало тяжелых элементов, или металлов, как именуют астрономы все элементы тяжелее гелия и водорода. Эти тяжелые элементы не берутся из ниоткуда. Они являются результатом синтеза внутри звезд, а в космос их выбрасывают взрывы сверхновых. Для того, чтобы собрать материал, достаточный для образования Солнечной системы, многие звезды должны умереть. Но все же сколько материала надо для образования планеты и когда во Вселенной его набралось достаточно?

Земля родилась из материала, собравшегося в протопланетный диск около молодого Солнца 4.54 миллиарда лет назад. Довольно давно, но по сравнению с возрастом Вселенной – не очень. Насколько раньше Земли могла сформироваться первая планета? Недавно считалось, что процесс образования тяжелых элементов в звездах очень медленный, и звездная алхимия превращения элементов не могла дать достаточно материала до 6-7 миллиардов лет после Большого взрыва. Это предположение подтверждалось находками экзопланет, все звезды которых имели столько же или больше металлов, как и Солнце, а значит, были моложе нашей звезды. Однако дело здесь было отнюдь не в фундаментальных законах, которым подчиняется Вселенная. Наш метод наблюдения диктовал результат. До запуска телескопа Кеплер в 2009 году практически все экзопланеты находились по их гравитационному воздействию на звезду. Разумеется, с таким методом часто попадались газовые гиганты на низких орбитах. Запуск орбитального телескопа, предназначенного для поиска экзопланет, изменил ситуацию. На его счету уже более 2300 кандидатов, найденных методом прохода. Треть находимых Кеплером планет – небольшие, твердые миры, гиганты размером с Юпитер или больше составляют 11% от общего числа.

«Мы обнаружили, что существование малых планет около звезд не так сильно зависит от содержания тяжелых элементов в них, как в случае газовых гигантов», – говорит Ларс Бухаве, сотрудник Института Нильса Бора Университета Копенгагена. Бухаве – руководитель группы астрономов, изучившей спектры 150 звезд, вокруг которых обращается 226 кандидатов в планеты. «На первый взгляд может показаться странным, что газовые гиганты содержат больше металлов, чем твердые планеты», – говорит соавтор исследования Андерс Йохансен из Лундской обсерватории. Но все проясняется, если обратиться не к составу планет, а к процессам их образования. Понемногу небольшие частички слипаются, разрастаясь, как снежный ком. Если речь идет о газовом гиганте, то может ли он так сформироваться прямо из облака газа около звезды, или же ему нужно ядро, которое будет притягивать летучие элементы? Тенденция находить гиганты около звезд, богатых металлом, говорит в пользу второй гипотезы. Сначала образуется огромное ядро, в десятки раз более тяжелое, чем Земля. Его гравитационное поле способно притянуть значительные объемы газа до того, как тот рассеется в космосе. Если же тяжелых элементов мало, то и ядра получаются небольшие, неспособные захватить много газа.

Системы звезд с малым содержанием металлов могут оказаться удачным местом для поисков жизни, так как отсутствие газовых гигантов дает ей дополнительные шансы. Большая часть газовых гигантов относятся к горячим Юпитерам – очень близким к звездам планетам. Образуются, однако, такие планеты заметно дальше, а потом медленно мигрируют ближе к звезде. Это создает возмущения в планетарной системе, и то возмущение, которое гиганта неспешно тянет к центру, меньшую планету, на которой может существовать жизнь, быстро выкидывает в межзвездное пространство. Это соображение приводит к выводу, что жизнь чаще встречалась в молодой Вселенной, когда тяжелых элементов было мало и потому почти не было газовых гигантов. Впрочем, процессы образования гигантов могут оказаться не такими, как их представляют астрономы. Сотрудники Института астрономии имени Макса Планка в 2019 году нашли гигантскую планету около очень старой звезды HIP 13044, а в этом году еще более древнюю звезду HIP 11952, родившуюся 12.8 миллиарда лет назад, но имеющую газового гиганта. Содержание тяжелых элементов в этих звездах очень мало, но иногда и его хватает для газового гиганта. Выше мы уже упомянули, что твердая планета в таких условиях появиться могла тем более. Одновременно расширяется зона поиска обитаемых планет для каждой галактики. В центрах много металлов, но зато много газовых гигантов и взрывов сверхновых. На задворках же металлов меньше, но зато и соседи спокойнее. Потенциально обитаемая зона галактик расширяется.

Остается определить предел наличия металлов для образования Земли и время, когда он был достигнут. К примеру, если бы Солнце имело в десять раз меньше тяжелых элементов, Земля точно не смогла бы образоваться. Впрочем, прирост количества тяжелых элементов в молодой Вселенной шел быстро. Звезды рождались и умирали с огромной частотой, некоторые оценки показывают звездообразование в 4000 солнечных масс в год через миллиард лет после Большого взрыва. Для Млечного пути сейчас это число составляет около десятка. Хоть каждая звезда молодой Вселенной была бедна тяжелыми элементами и производила немного, общий вклад был огромным. Поэтому неудивительно, что в старой галактике, которую мы видим такой, какой она была 12 миллиардов лет назад, было найдено содержание тяжелых элементов, аналогичное солнечному. Более того, в отличие от Млечного пути, металлов в этой галактике много и на задворках. Это единичный пример, который, скорее всего, объясняется аномально мощным звездообразованием, но он уже доказывает возможность появления Земли очень давно.