Когда дело доходит до поиска миров, которые могли бы поддержать внеземную жизнь, ученые в настоящее время полагаются на подход «низко висящих фруктов». Поскольку нам известен только один набор условий, при которых жизнь может процветать, то есть то, что мы имеем здесь, на Земле, имеет смысл искать миры, которые имеют такие же условия. Это включает в себя размещение в зоне обитания звезды, наличие стабильной атмосферы и способность удерживать жидкую воду на поверхности.
До сих пор ученые полагались на методы, которые очень затрудняют обнаружение водяного пара в атмосфере планет земной группы. Но благодаря новому исследованию, проведенному Юкой Фуджи из Института космических исследований имени Годдарда (GISS), это может измениться. Используя новую трехмерную модель, которая учитывает глобальные паттерны циркуляции, это исследование также показывает, что обитаемые экзопланеты могут быть более распространенными, чем мы думали.
Исследование под названием «NIR-управляемая влажная верхняя атмосфера синхронно вращающихся умеренных наземных экзопланет» недавно появилось в Астрофизический Журнал, Помимо доктора Фуджи, который также является членом Института наук о жизни Земли в Токийском технологическом институте, в исследовательскую группу вошли Энтони Д. Дель Дженио (GISS) и Дэвид С. Амундсен (GISS и Колумбийский университет).
Проще говоря, жидкая вода необходима для жизни, какой мы ее знаем. Если на планете нет достаточно теплой атмосферы, чтобы поддерживать жидкую воду на своей поверхности в течение достаточного времени (порядка миллиардов лет), маловероятно, что жизнь сможет возникать и развиваться. Если планета находится слишком далеко от своей звезды, ее поверхностные воды замерзнут; если он находится слишком близко, его поверхностная вода испарится и будет потеряна в космосе.
Хотя вода была обнаружена в атмосферах экзопланет раньше, во всех случаях планеты были массивными газовыми гигантами, которые вращались очень близко к своим звездам. (он же «Горячие Юпитеры»). Как утверждают Фуджи и ее коллеги в своем исследовании:
«Хотя сигнатуры H2O были обнаружены в атмосферах горячего Юпитера, обнаружение молекулярных сигнатур, в том числе H2O, на планетах умеренного климата на Земле является чрезвычайно сложной задачей из-за малого радиуса планеты и высоты малого масштаба (из-за более низкой температуры и предположительно большего среднего значения). молекулярный вес)."
Когда речь идет о наземных (то есть скалистых) экзопланетах, предыдущие исследования были вынуждены полагаться на одномерные модели для расчета присутствия воды. Это состояло из измерения потери водорода, когда водяной пар в стратосфере распадается на водород и кислород в результате воздействия ультрафиолетового излучения. Измеряя скорость, с которой водород теряется в космосе, ученые могли бы оценить количество жидкой воды, все еще присутствующей на поверхности.
Однако, как объясняют д-р Фуджи и ее коллеги, такие модели основаны на нескольких предположениях, которые не могут быть учтены, включая глобальный перенос тепла и паров воды, а также влияние облаков. По существу, предыдущие модели предсказывали, что для того, чтобы водяной пар достиг стратосферы, долгосрочные поверхностные температуры на этих экзопланетах должны быть более чем на 66 ° C (150 ° F) выше, чем то, что мы наблюдаем здесь, на Земле.
Эти температуры могут создать мощные конвективные штормы на поверхности. Однако эти бури не могли быть причиной того, что вода достигает стратосферы, когда речь идет о медленно вращающихся планетах, попадающих во влажное парниковое состояние - где водяной пар усиливает тепло. Известно, что планеты, которые вращаются близко к своим родительским звездам, имеют либо медленное вращение, либо имеют приливную привязку к своим планетам, что делает конвективные штормы маловероятными.
Это происходит довольно часто для планет земной группы, которые расположены вокруг маломассивных ультрахолодных звезд типа М (красный карлик). Для этих планет их близость к принимающей звезде означает, что гравитационное воздействие будет достаточно сильным, чтобы замедлить или полностью остановить их вращение. Когда это происходит, на дневной стороне планеты образуются густые облака, защищающие ее от большей части света звезды.
Команда обнаружила, что, хотя это может поддерживать дневную прохладу и предотвращать рост водяных паров, количество ближней инфракрасной радиации (NIR) может обеспечить достаточно тепла, чтобы заставить планету войти во влажное состояние теплицы. Это особенно верно в отношении М-типа и других крутых карликовых звезд, которые, как известно, производят больше путем NIR. Когда это излучение нагревает облака, водяной пар поднимется в стратосферу.
Для решения этой проблемы Fujii и ее команда полагались на трехмерные модели общей циркуляции (GCM), которые включают атмосферную циркуляцию и неоднородность климата. Ради их модели команда начала с планеты, которая имела атмосферу, подобную Земле, и была полностью покрыта океанами. Это позволило команде ясно увидеть, как изменения расстояния от разных типов звезд будут влиять на условия на поверхностях планет.
Эти предположения позволили команде четко увидеть, как изменение орбитального расстояния и типа звездного излучения влияет на количество водяного пара в стратосфере. Как доктор Фуджи объяснил в пресс-релизе НАСА:
«Используя модель, которая более реалистично имитирует атмосферные условия, мы обнаружили новый процесс, который контролирует обитаемость экзопланет и поможет нам в определении кандидатов для дальнейшего изучения… Мы нашли важную роль для типа излучения, излучаемого звездой, и его влияния. влияет на атмосферную циркуляцию экзопланеты в состоянии влажной теплицы ».
В конце концов, новая модель команды продемонстрировала, что, поскольку звезды с малой массой излучают большую часть своего света на длинах волн ближнего инфракрасного излучения, влажное парниковое состояние приведет к тому, что планеты будут вращаться близко к ним. Это приведет к тому, что условия на их поверхности будут сопоставимы с тем, что Земля испытывает в тропиках, где условия жаркие и влажные, а не жаркие и сухие.
Более того, их модель показала, что процессы, вызванные NIR, постепенно увеличивают влажность в стратосфере до такой степени, что экзопланеты, находящиеся на орбите ближе к своим звездам, могут остаться обитаемыми. Этот новый подход к оценке потенциальной обитаемости позволит астрономам моделировать циркуляцию атмосфер планет и особенности этой циркуляции, чего не могут сделать одномерные модели.
В будущем команда планирует оценить, как изменения характеристик планет, такие как гравитация, размер, состав атмосферы и поверхностное давление, могут повлиять на циркуляцию водяного пара и его обитаемость. Это, наряду с их 3-мерной моделью, которая учитывает особенности циркуляции планет, позволит астрономам с большей точностью определять потенциальную пригодность для обитания далеких планет. Как указал Энтони Дель Хенио:
«Пока мы знаем температуру звезды, мы можем оценить, могут ли планеты, находящиеся рядом с их звездами, находиться во влажном тепличном состоянии. Текущая технология будет доведена до предела, чтобы обнаружить небольшое количество водяного пара в атмосфере экзопланеты. Если воды достаточно для обнаружения, это, вероятно, означает, что планета находится во влажном тепличном состоянии ».
Помимо того, что астрономы предлагают более всеобъемлющий метод определения обитаемости экзопланет, это исследование также является хорошей новостью для охотников за экзопланетами, надеющихся найти обитаемые планеты вокруг звезд типа М. Маломассивные ультрахолодные звезды M-типа являются наиболее распространенными звездами во Вселенной, на их долю приходится примерно 75% всех звезд Млечного Пути. Знание того, что они могут поддерживать обитаемые экзопланеты, значительно увеличивает шансы найти его.
Кроме того, это исследование является ОЧЕНЬ хорошей новостью, учитывая недавний поток исследований, который поставил под серьезное сомнение способность звезд типа М принимать живые планеты. Это исследование было проведено в ответ на множество планет земной группы, которые были обнаружены вокруг близлежащих красных карликов в последние годы. Они обнаружили, что, как правило, звезды красных карликов испытывают слишком много вспышек и могут лишить свои планеты их атмосфер.
К ним относятся система TRAPPIST-1 с 7 планетами (три из которых расположены в обитаемой зоне звезды) и ближайшая экзопланета к Солнечной системе, Proxima b. Огромное количество планет, похожих на Землю, обнаруженных вокруг звезд типа М, в сочетании с естественным долголетием этого класса звезд заставили многих в астрофизическом сообществе рискнуть предположить, что звезды красных карликов могут быть наиболее вероятным местом для поиска обитаемых экзопланет.
С этим последним исследованием, которое показывает, что эти планеты могут быть пригодными для обитания в конце концов, кажется, что мяч фактически вернулся на свою площадку!
