Статья Гильермо Гонсалеса, Питера Уорда и Дональда Браунли, опубликованная в следующем выпуске журнала Icarus, обычно считается началом современных исследований ГЗО. ГЗО в ее современном представлении имеет форму кругового кольца, внутренняя и внешняя границы которого в любую заданную эпоху определяются различными астробиологическими процессами. Существует консенсус относительно того, что внешний радиус R_out определяется градиентом металличности в диске Млечного Пути; сейчас этот градиент оценивается примерно в ∇Z = 0,07 декс·кпк⁻1 (десятичная логарифмическая единица, dex, указывает на то, что металличность падает на такую-то долю порядка величины на каждый килопарсек при удалении от Галактического центра)³¹. Очень низкая металличность препятствует формированию землеподобных планет или приводит к образованию лишь очень небольших, марсоподобных планет земной группы. Поскольку Марс с массой 0,107 M_⊕ находится у самой нижней границы массы планет, допускающей обитаемость в общепринятом смысле, мы не ожидаем встретить пригодные для жизни планеты за пределами некоторого галактоцентрического расстояния в диске³². По мере роста металличности с течением времени ГЗО медленно расширяется вовне, что наглядно показано на рисунках 3 и 4 в работе Лайнвивера и др. 2004 года и схематично представлено на рисунке 2.2.

В то время как внешняя граница ГЗО не вызывает особых споров, существует значительная неопределенность относительно радиуса и причинных факторов внутренней границы. Существует по меньшей мере три причинных механизма, препятствующих обитаемости в самых внутренних областях Галактики: (i) частые звездные столкновения и тесные сближения, (ii) более высокая частота вспышек сверхновых и гамма-всплесков и (iii) подавление формирования планет земного типа из-за избыточной металличности (что приводит к чрезмерному росту протопланет и формированию, скажем,

Рисунок 2.2  Постепенное расширение Галактической

зоны обитаемости в упрощенной модели. В этой

модели основной причиной расширения является постепенное

химическое обогащение галактического газа, делающее возможным

формирование планет земного типа на все более

значительных расстояниях от центра Млечного

Пути. Дополнительными способствующими факторами являются

снижение частоты вспышек сверхновых и других космических

взрывов, а также медленная орбитальная диффузия

систем с планетами земного типа из плотных

внутренних областей в малонаселенные

Источник: предоставлено Слободаном Поповичем Баги

вместо этого планет-океанов)³³. Кроме того, еще один, довольно неопределенный механизм связан с высоким уровнем фонового ионизирующего УФ-излучения, которое может приводить к фотоиспарению протопланетных дисков, а также подавлять рост и слипание пылевых частиц, необходимые для формирования планет земного типа³⁴, — а поскольку фоновый УФ-поток выше во внутренних областях Млечного Пути, это также может быть способствующим фактором. Очевидно, что реальная внутренняя граница ГЗО определяется самым жестким из всех задействованных процессов. Пока не вполне ясно, какой именно процесс является таковым, и ситуация усугубляется тем, что эти процессы претерпевают вековую эволюцию, которая протекает более сложным образом, чем простое накопление металличности, характеризующее эволюцию внешней границы. На сегодняшний день не существует комплексных численных исследований, объединяющих все значимые физические процессы в рамках единого семейства моделей, — и это остается серьезной проблемой для теоретической астробиологии.

С 2001 года наши представления об астробиологической истории Млечного Пути значительно расширились³⁵. Для наших целей особый интерес представляют два исследования, развивающие результаты Лайнуивера. Питер Берузи и Молли С. Пиплс из Института космического телескопа в Балтиморе (штат Мэриленд) рассчитали, что Солнечная система сформировалась после того, как возникло 80 процентов уже существующих планет земного типа (как в Млечном Пути, так и во Вселенной в целом), и что во всей видимой Вселенной (объеме Хаббла) должно насчитываться около 10²⁰ планет земного типа. В 2016 году Эрик Закриссон и его коллеги повторили исследование Лайнуивера по оценке количества планет земного типа, использовав улучшенные модели формирования и эволюции галактик. Результаты поразительны, поскольку они увеличивают шкалу Лайнвивера примерно до 2,7 млрд лет для родительских звезд, принадлежащих к стандартным спектральным классам F, G и K; если же мы включим красные карлики спектрального класса M — подобные родительской звезде системы TRAPPIST-1, — это значение возрастает еще сильнее, примерно до 3,8 млрд лет!³⁶ Хотя мы можем — и должны! — сомневаться в точности этих новых исследований, важно обратить внимание на общий вывод: огромная доля всего пространственно-временного объема Млечного Пути пригодна для жизни даже при нашей довольно ограниченной трактовке обитаемости³⁷.

В целом наилучшее подтверждение того, что астробиологические исследования обитаемости находятся на верном пути, дают космологические симуляции, которые начинаются как можно ближе к «первым принципам». Недавно появились две такие работы: Бранислава Вукотича с соавторами в 2016 году и Дункана Форгана с соавторами в 2017 году; они открыли новое направление исследований, задействовав космологические моделирование задачи N тел для определения происхождения, протяженности и эволюции ГЗО. Тот факт, что полученные результаты весьма схожи, несмотря на различное программное обеспечение, начальные условия и методологию, и что оба исследования в целом согласуются с полуаналитическими работами Лайнвивера и его коллег, Закриссона и его коллег, а также Берузи и Пиплс, ясно показывает, что астробиологическая теория достигла зрелости. Типичные результаты этих крупномасштабных численных симуляций представлены на рисунках 2.3 и 2.4.

В любом случае представляется несомненным, что самые внутренние области Галактики не благоприятствуют возникновению сложных биосфер и разумных форм жизни. Однако, хотя ГЗО имеет решающее значение для возникновения разумных существ, она не накладывает существенных ограничений на их последующую экспансию. На самом деле существует множество

Рисунок 2.3  Поверхностная плотность звездной массы в смоделированной галактике, подобной Млечному Пути. Данная модель задачи N тел

методом гидродинамики сглаженных частиц была создана с явной целью

изучения обитаемости. Представленные здесь результаты — с шагом в 10⁹ лет, начиная с эпохи формирования диска, — отражают необходимый астрофизический фон для любых поисков жизни. Именно такая численная астробиология способна улучшить наше понимание

Галактической зоны обитаемости и ее наблюдаемых свойств.

Источник: Vukotić, B., Steinhauser, D., Martinez-Aviles, G., Ćirković, M. M., Mićić, M., and Schindler, S. 2016,

«„Величие в этом воззрении на жизнь“: симуляционные модели Галактической зоны обитаемости методом N тел», Mon. Notices Royal Astron. Soc. 459, 3512–24. Любезно предоставлено Браниславом Вукотичем.

Рисунок 2.4 Доля пригодных для жизни ячеек сетки в смоделированной галактике, подобной Млечному Пути, как функция галактоцентрического расстояния ρ для различных эпох галактической истории. Это не число обитаемых планетных систем, поскольку ячейка сетки всё ещё значительно больше объёма пространства, должным образом отведённого под одну планетную систему; в этом отношении данная численная модель всё ещё напоминает «крупнозернистую» сетку. Эти ячейки можно представить как содержащие как минимум одну пригодную для жизни планету среди своих звёзд, в отличие от «мёртвых» объёмов пространства. Мы замечаем, что на более поздних этапах Галактическая зона обитаемости становится отчётливо выраженной и приобретает структуру, более сложную, чем структура наивного «круглого кольца».