Звезды практически полностью состоят из водорода и гелия. Но во всех также есть и небольшие количества тяжелых элементов, которые астрономы называют металлами. Источников этих элементов может быть два: либо звезда сама создала их в ходе ядерного синтеза, или получила от другой звезды, взорвавшейся сверхновой.

Ученые могут определить, примеси каких элементов встречаются в звезде по анализу ее излучении. Спектральные линии различных элементов, пусть даже незначительные на фоне водорода и гелия, все же подводят свой источник и указывают, какой химический элемент испустил это излучение. В ходе изучение карликовых звезд, расположенных недалеко, ученым удалось обнаружить, что некоторые элементы часто присутствуют в довольно большом (для звезды) количестве. А если их много, и многие звезды таковы, то необходимо задуматься, какое это может оказаться влияние на потенциальное существование жизни в системах этих звезд. Пока что об этом можно говорить в основном на языке зоны обитания, поэтому вопрос переформулируется: как эти химические элементы меняют размеры зоны обитания?

Поиск зоны обитания

Обычно зона обитания звезды определяется легко и зависит исключительно от ее температуры. Для определения температуры достаточно знать яркость и цвет звезды. Но вариации химического состава звезд приводят к эволюции этих видимых параметров.

«Я ожидал небольших изменений в наших моделях эволюции звезд в части температуры поверхности и яркости. Но я совершенно не ожидал таких сильных изменений не только этих параметров, но даже времени жизни звезды», – говорит астрофизик и астробиолог Патрик Янг из Аризонского государственного университета, ведущий автор работы.

Численное выражение содержания элемента в звезде обычно выражается по отношению к содержанию железа в атмосфере, так как это наиболее распространенный, кроме водорода и гелия, элемент, к тому же имеющий простую спектральную характеристику. Как оказалось, в звездах одинакового спектрального класса содержания различных элементов могут отличаться на два порядка.

Янг со своими коллегами создал модель, показывающую, как изменения в содержании восьми элементов (углерод, кислород, кальций, алюминий, магний, натрий, кремний и титан) могут влиять на эволюцию звезд спектральных классов F, G и К, похожих на Солнце. Присутствие тяжелых элементов влияет на жизнь звезды, определяя прозрачность плазмы ее атмосферы.

«Стабильность звезды заключается в нагреве плазмы, вызывающем давление, уравновешивающее гравитацию, стягивающую все к центру, – объясняет Янг. – Меньшая прозрачность позволяет сохранить больше энергии и развиться звезде с большим радиусом. Более эффективный синтез также позволяет звезде замедлить его и прожить дольше».

Элементы звезд

Кальций, натрий, магний, алюминий и кремний оказывают небольшое, но все же важное влияние на эволюцию звезды. Большое количество этих элементов приводит к образованию более крупных и холодных звезд. Кислород также оказался важен, так как увеличил время существования обитаемой зоны.

«Время потенциальной обитаемости планеты на орбите Земли и обращающейся вокруг двойника Солнца составляет всего 3.5 миллиарда лет, но для богатых кислородом звезд оно увеличивается до 8.5 миллиардов, – говорит Янг. – Например, мы рассчитываем, что Земля будет обитаема еще около миллиарда лет, а всего в течение 5.5 миллиардов лет. Эволюции потребовалось 3.9 миллиарда лет на развитие сложных форм жизни, так что около бедной кислородом звезды жизнь может просто не успеть развиться». Кроме того, чем больше в звезде кислорода, тем слабее губительное для живых клеток ультрафиолетовое излучение.

Изучение экзопланет

Безусловно, свойства планет оказывают решающее влияние на зону обитания. Но поскольку их изучение намного сложнее, чем изучение звезд, начинать нужно с них. Имея более точное знание о зоне обитания звезды, можно сконцентрироваться на изучении планет.

Химический состав звезды также оказывает влияние на химический состав планеты. В первую очередь это относится к отношениям содержания углерод/кислород и магний/кремний. Это, в свою очередь влияет на формирование важных минералов, наличие которых упрощает возникновение жизни. Поиск таких минералов является одной из задач марсохода Curiosity.

Разнообразие элементов

Изменение химического состава звезды может привести к образованию сильно отличной от нашей планеты. В частности, вместо кремниевых камней и песка они могут быть состоять в первую очередь из углеродных минералов. Тектоническая и вулканическая активность на таких планетах реализуются по-другому. Некоторые элементы звезды имеют определяющее влияние на наличие в составе планеты радиоактивных элементов, необходимых для образования расплавленного ядра. Это, в свою очередь, оказывает влияние на тектоническую активность и магнитное поле планеты – важные условия, влияющие на образование и развитие жизни.

Некоторые важные элементы пока не удается распознать в спектрах звезд. «Мы хотим найти элементы, важные для существования форм жизни, аналогичных земным, например фосфор и молибден, – говорит Янг. – Я также ищу элементы, которые могли бы указать на их наличие, ведь они точно образуются внутри звезд или во время их взрывов».

Сейчас ученые изучают 600 звезд, около которых в настоящее время ищут экзопланеты. Они рассчитывают выдать рекомендации, какие звезды надо изучить внимательнее, исходя из своих критериев размера зоны обитания.