Суперкомпьютер Discover, кластер из 129 000 ядерных процессоров, расположен в самом центре Центра симуляции климата (NCCS) НАСА - части Центра космических полетов имени Годдарда. Этот суперкомпьютер, способный выполнять 6,8 петафлопс (6,8 триллионов) операций в секунду, выполняет задачи управления сложными климатическими моделями, чтобы предсказать, как будет выглядеть климат Земли в будущем.
Однако NCCS также начала выделять некоторые суперкомпьютерные возможности Discover, чтобы предсказать, какими могут быть условия на любой из более чем 4000 планет, обнаруженных за пределами нашей Солнечной системы. Эти модели не только показали, что многие из этих планет могут быть пригодными для обитания, они являются еще одним доказательством того, что наши представления о «пригодности для жизни» могут использовать переосмысление.
Несмотря на огромное количество открытий экзопланет, имевших место в последнее десятилетие или около того, ученые все еще вынуждены полагаться на климатические модели, чтобы определить, какие из них могут быть «потенциально пригодными для обитания». В настоящее время исследование этих планет с помощью космического корабля совершенно нецелесообразно из-за огромных расстояний.
Как мы уже говорили в предыдущей статье, для достижения ближайшей звездной системы (Альфа Центавра) с использованием современных методов и технологий потребуется от 19 000 до 81 000 лет. Кроме того, прямое наблюдение экзопланет возможно только в редких случаях с использованием современных телескопов, в которых обычно участвуют массивные планеты, которые вращаются вокруг своих звезд на большом расстоянии. Эти планеты, как правило, газовые гиганты, и, следовательно, не являются кандидатами на обитаемость.
В любом случае, астрономы обнаружили, что все планеты, которые наблюдались за пределами нашей Солнечной системы, являются довольно эклектичными по своей природе. По большей части, 4108 экзопланет, которые были подтверждены к настоящему времени, были либо нептуноподобными газовыми гигантами (1375), юпитероподобными газовыми гигантами (1293), либо суперземлями (1273). Только 161 экзопланета была земной (то есть каменистой или «похожей на Землю») по своей природе, все они обнаружены вокруг звезд типа М (красный карлик).
Элиза Кинтана, астрофизик НАСА Годдарда, возглавлявшая группу, ответственную за открытие в 2014 году Кеплера-186f, первой планеты размером с Землю в обитаемой зоне (ГЗ), объяснила:
«Долгое время ученые были действительно сосредоточены на поиске подобных Солнцу и Земле систем. Это все, что мы знали. Но мы выяснили, что все это безумное разнообразие на планетах. Мы нашли планеты размером с Луну. Мы нашли гигантские планеты. И мы нашли некоторые, которые вращаются вокруг крошечных звезд, гигантских звезд и множества звезд ».
Открытие планет земной группы, которые движутся по орбите в пределах ГЗ красных карликов, первоначально было источником большого волнения. Эти звезды не только наиболее распространены в нашей Вселенной - на их долю приходится 85% звезд только в Млечном Пути, но также было обнаружено, что некоторые из них находятся на орбите звезд, находящихся в непосредственной близости от Солнечной системы.
Это включает в себя три планеты, которые вращаются в пределах ГЗ TRAPPIST-1 (на расстоянии 39,46 световых лет) и Proxima b, ближайшей экзопланеты к Земле (на расстоянии 4,24 световых лет). К сожалению, в последние годы были проведены многочисленные исследования, которые показали, что этим планетам будет трудно поддерживать жизнеспособную атмосферу с течением времени.
Проще говоря, тот факт, что они меньше и холоднее, означает, что у красных карликов есть ГЦ, которые намного ближе к их поверхности. Это означает, что любая планета, вращающаяся вокруг ГЦ красного карлика, вероятно, будет на расстоянии от них, что означает, что одна сторона постоянно обращена к звезде и на приемном конце всего тепла звезды, излучения и солнечного ветра.
Может ли эти планеты быть пригодными для обитания, поэтому зависит от ряда факторов, таких как наличие плотной атмосферы, наличие магнитосферы и правильное химическое содержание. Вместо того, чтобы иметь возможность непосредственно видеть планеты и выяснять, существуют ли эти компоненты для жизни (или биосигнатуры), ученые полагаются на климатические модели, чтобы помочь в поиске «потенциально обитаемых» экзопланет.
По словам Карла Стапельфельдта, главного исследователя НАСА, занимающегося экзопланетами, который базируется в Лаборатории реактивного движения, способность моделировать климат на других планетах абсолютно необходима. к будущему освоению космоса «Модели делают конкретные, проверяемые прогнозы того, что мы должны увидеть», - сказал он. «Это очень важно для разработки наших будущих телескопов и стратегий наблюдения».
Проще говоря, моделирование климата включает в себя создание моделирования того, каким будет климат Земли (или другой планеты) на основе конкретных условий и / или изменений окружающей среды. В течение многих лет эту работу выполнял Энтони Дель Дженио, недавно вышедший на пенсию ученый-специалист по исследованию климата планеты из Института космических исследований имени Годдарда при НАСА. В течение своей карьеры Дель Дженио проводил моделирование климата с участием Земли и других планет (включая Proxima b).
Напомним, что Проксима b примерно такого же размера, как Земля, и, по крайней мере, в 1,3 раза массивнее. Он вращается вокруг своей звезды (Проксима Центавра) один раз каждые 11,2 земных дня и на расстоянии 0,05 а.е. (5% расстояние между Землей и Солнцем). На этом расстоянии планета, вероятно, будет гравитационно привязана к своей звезде, причем одна сторона постоянно подвергается воздействию интенсивного излучения звезды, а другая подвергается постоянной темноте и морозным температурам.
Однако команда Del Genio недавно смоделировала возможные климатические условия на Proxima b, чтобы еще раз проверить, сколько из них приведет к теплой и влажной среде, способной поддерживать жизнь. Интересно, что это моделирование показало, что планеты, подобные Проксиме b, действительно могут быть обитаемыми, несмотря на то, что они блокированы приливом и все облучение одной стороны.
Для проведения этих симуляций команда Del Genio использовала суперкомпьютер Discover, чтобы запустить планетарный симулятор, который они разработали сами - ROCKE-3D. Этот симулятор основан на версии модели климата Земли, которая была впервые разработана в 1970-х годах и модернизирована таким образом, чтобы он мог моделировать климат на других планетах, частично основываясь на видах орбит, которые они могут иметь, и их составе в атмосфере.
Для каждого моделирования команда Del Genio меняла условия на Proxima b, чтобы посмотреть, как это повлияет на климат. Это включало корректировку типов и количества парниковых газов в атмосфере, глубины, размера и солености океанов, а также соотношения земли и воды. Из этого они смогли увидеть, как будут циркулировать облака и океаны и как взаимодействие солнечного света планеты будет взаимодействовать с атмосферой и поверхностью Проксимы b.
Они обнаружили, что гипотетический облачный слой Проксимы b будет действовать как щит, отклоняя солнечное излучение от поверхности и понижая температуру на солнечной стороне Проксимы b. Это согласуется с исследованиями, проведенными учеными Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) в НАСА Годдард, которые показали, как Proxima b может образовывать облака настолько массивные, что они будут покрывать все небо.
Как объяснил Рави Коппарапу, ученый-планетатор НАСА Годдарда, который также моделирует потенциальный климат экзопланет:
«Если планета гравитационно заблокирована и медленно вращается вокруг своей оси, перед звездой образуется круг облаков, всегда указывающий на нее. Это связано с силой, известной как эффект Кориолиса, который вызывает конвекцию в месте, где звезда нагревает атмосферу. Наше моделирование показывает, что Proxima b может выглядеть так ».
Наряду с циркуляцией океана этот круг облаков также означал бы, что теплый воздух и вода могли перемещаться на темную сторону планеты, достигая тем самым передачи тепла и делая всю планету более гостеприимной. «Таким образом, вы не только не допускаете замерзания атмосферы на ночной стороне, вы создаете детали на ночной стороне, которые фактически удерживают жидкую воду на поверхности, даже если эти части не видят света», - сказал Дель Дженио.
В дополнение к циркуляции и поддержанию тепла, атмосферы и океанические течения также несут ответственность за распределение газов и химических элементов, которые необходимы для жизни, как мы ее знаем, например. газообразный кислород, углекислый газ, метан и т. д. Они известны как «биосигнатуры», поскольку они либо необходимы для жизни на Земле, либо связаны с биологическими процессами.
Тем не менее, «как мы это знаем» является ключевым словом здесь. В настоящее время Земля остается единственной известной обитаемой планетой, и различные формы жизни, которые она поддерживает, являются единственными примерами, с которыми мы знакомы. Таким образом, поиск жизни за пределами Земли в настоящее время ограничивается поиском биосигнатур, которые необходимы (и связаны с известными) формами жизни. Это то, что мы называем «низко висящий фруктовый подход».
Более того, Земля значительно изменилась за последние несколько миллиардов лет, как и формы жизни, которые назвали ее домом. В то время как сегодня газообразный кислород необходим для млекопитающих, он был бы токсичным для фотосинтезирующих бактерий, которые процветали в атмосфере углекислого газа и азота, которая существовала на Земле миллиарды лет назад.
Таким образом, хотя этот тип моделирования не может с уверенностью сказать, что планета населена, он, безусловно, может помочь сузить поиск, показывая, какие кандидаты являются перспективными целями для последующих наблюдений. «Хотя наша работа не может сказать наблюдателям, является ли какая-либо планета пригодной для жизни или нет, мы можем сказать им, находится ли планета в хорошем диапазоне среди хороших кандидатов для дальнейшего поиска», - сказал Дель Хенио.
Это будет особенно полезно в ближайшие годы, когда телескопы следующего поколения выйдут в космос. К ним относятся космический телескоп Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 2021 год, и широкоугольный инфракрасный космический телескоп (WFIRST), запуск которого начнется в 2023 году. Наряду с наземными обсерваториями, такими как Чрезвычайно большой телескоп (ELT), эти приборы позволят ученым впервые наблюдать меньшие планеты.
Коронографы типа Звездной Тени также будут иметь большое значение, заглушая свет звезд, который в противном случае затемняет свет, отраженный от атмосферы планеты. Эти и другие события означают, что астрономы смогут также изучать атмосферу скалистых экзопланет, что позволит им с уверенностью сказать, какие планеты «потенциально обитаемы».
Обязательно посмотрите эту анимацию того, как может выглядеть климат Proxima b, благодаря команде Del Genio и Центру космических полетов имени Годдарда НАСА:
