Чтобы считаться пригодной для жизни, планета должна иметь жидкую воду. Клетки, наименьшая единица жизни, нуждаются в воде для выполнения своих функций. Для существования жидкой воды температура планеты должна быть правильной. Но как насчет размера планеты?
Без достаточной массы у планеты не будет достаточно силы тяжести, чтобы удержать свою воду. Новое исследование пытается понять, как размер влияет на способность планеты удерживать воду и, как следствие, на ее обитаемость.
Вопрос о том, что может сделать планету пригодной для жизни, является спорным вопросом. Не только для экзопланет, но и для некоторых лун в будущем нашей Солнечной системы. Ученые довольно хорошо представляют, сколько энергии планета должна получить от своей звезды для поддержания жидкой воды. Это привело к распространенному понятию «Зона Златовласка», или околозвездной обитаемой зоны, диапазона близости, который не является ни слишком близким, ни слишком далеко от звезды, чтобы жидкая вода сохранялась на планете.
По мере того, как поиск экзопланет в обитаемых зонах набирает обороты, и по мере того, как мы получаем более совершенные телескопы и методы для более детального изучения экзопланет, ученым необходимо больше ограничений на то, на какие планеты тратить ресурсы наблюдений. Как показывает этот документ, масса планеты может быть полезным фильтром.
Новая статья озаглавлена «Эволюция атмосферы в водоемах с низкой гравитацией». Он опубликован в Астрофизическом журнале. Ведущий автор - Константин В. Арншайд, аспирант Массачусетского технологического института.
Чтобы поддерживать жидкую воду на своей поверхности и в атмосфере, экзопланета или экзомун должны иметь достаточно массы, иначе вода и атмосфера просто улетят в космос. И он должен держаться за свою воду достаточно долго, чтобы появилась жизнь. Для этого астрономы используют приблизительную цифру в миллиард лет.
«Когда люди думают о внутренних и внешних границах обитаемой зоны, они склонны думать только о ней пространственно, имея в виду, насколько планета находится близко к звезде», - сказал Константин Арншайдт, первый автор статьи. «Но на самом деле, есть много других переменных для обитаемости, в том числе массы. Установление нижней границы для обитаемости с точки зрения размера планеты дает нам важное ограничение в нашей постоянной охоте на обитаемых экзопланет и экзомун ».
Размер и диапазон обитаемой зоны зависит от звезды. Меньшая, менее энергичная звезда, такая как красный карлик, создает обитаемую зону ближе к себе, чем более крупная звезда, такая как наше Солнце. Это хорошо понято. Если планета находится слишком далеко от звезды, вода замерзает. Слишком близко, и происходит побег парниковый эффект, и вода превращается в пар и может выкипать в космос.
Но для маленьких планет с меньшей массой происходит больше. Они могут быть в состоянии противостоять безудержному парниковому эффекту.
По мере того как планета меньшей массы нагревается, атмосфера расширяется. Он становится больше по сравнению с размером планеты, которую он окружает. Это имеет два эффекта: увеличенный размер поверхности означает, что атмосфера может поглощать больше энергии, чем раньше, а также излучать больше энергии, чем раньше.
Общий результат этого, по мнению исследователей, заключается в том, что расширенная атмосфера гасит безудержный парниковый эффект, и они могут поддерживать на поверхности жидкую воду. Это означает, что они могут быть ближе к своей звезде, не теряя воды, тем самым расширяя зону Златовласки для небольших экзопланет.
Конечно, есть предел. Если планета малой массы слишком мала, у нее не будет достаточной силы тяжести, и атмосфера будет удалена, и вода будет либо удалена вместе с ней, либо заморожена на поверхности. Это означает, что перспективы для жизни неясны. Исследователи говорят, что для обитаемой планеты существует критический нижний предел. Это означает, что существует не только полоса близости к звезде, которая определяет обитаемость планеты, но и ограничение по размеру.
Проще говоря, планета может быть слишком маленькой, чтобы ее можно было обитать, даже если она находится в зоне Златовласки.
Этот критический размер, согласно Арншайдту и другим авторам исследования, составляет 2,7 процента массы Земли. Говорят, что меньше, чем это, и планета просто не сможет удерживать свою атмосферу и воду достаточно долго, чтобы появилась жизнь. Для контекста, Луна составляет 1,2 процента от массы Земли, а Меркурий - 5,53 процента.
Исследователи используют кометоподобные планеты в качестве примера. У комет много воды, которая сублимируется, когда они приближаются к Солнцу. Но им не хватает необходимой массы, чтобы удерживать этот пар, и они никогда не могут образовать атмосферу. Вода теряется в космосе. Так что планета, которая была слишком маленькой, даже если бы в ней было много воды, никогда бы не удержалась на ней.
Исследователи использовали модели для оценки обитаемой зоны планеты с низкой массой вокруг двух разных типов звезд: звезды М-типа или звезды красного карлика и звезды G-типа, подобной нашему Солнцу.
Они также, возможно, решили еще один давний вопрос обитаемости в нашей собственной Солнечной системе. У спутников Юпитера Ганимеда, Каллисто и Европы все есть много жидкой воды, пойманной в ловушку под слоями льда. Астрономы задались вопросом, будут ли они пригодными для жилья, когда Солнце излучает больше энергии в какой-то момент своего звездного будущего. Но согласно работе авторов, им не хватает массы, чтобы удержать эту воду, даже если они стали достаточно теплыми. Ганимед приближается, на 2,5% массы Земли, но он достаточно мал, чтобы быть «подобным комете» и потерять всю свою воду в космосе.
«Маломассовые водные миры - это захватывающая возможность в поисках жизни, и эта статья показывает, насколько их поведение, вероятно, будет сравниваться с поведением планет, подобных Земле», - сказал Робин Вордсворт, доцент кафедры наук об окружающей среде и техники в SEAS и старший автор исследования. «Как только наблюдения для этого класса объектов станут возможными, будет интересно попытаться проверить эти предсказания напрямую».
Исследователи сделали некоторые необходимые предположения в своей работе. Они предполагали, что атмосфера их миров с низкой массой была чистым водяным паром. Они также предположили, что вода была зафиксирована на уровне 40% от массы планеты. Они также игнорировали некоторые другие факторы, такие как цикличность CO2, облачность и химический состав океана. На этом этапе их работы просто слишком много переменных для моделирования.
Авторы также рассматривают идею обитаемых экзомун, а не экзопланет. Вполне возможно, что в других солнечных системах спутники могут быть более пригодными для обитания, чем планеты. В этом случае в игру вступают другие факторы, такие как приливные силы. Это может быть особенно верно в отношении звезд типа М или красных карликов. Это потому, что околозвездная обитаемая зона вокруг этих низкоэнергетических звезд уже гораздо ближе к звезде, чем вокруг звезды типа G, такой как наше Солнце. Объединенные гравитационные силы экзомуна, его планеты и звезды могут полностью уничтожить обитаемость.
Они также признают некоторые из множества других факторов, которые влияют на пригодность для жизни. Например, даже если такие луны, как Ганимед, могут быть слишком малы, чтобы их можно было обитать в их модели, они вполне могут быть жизнью в их подземных океанах, где вода не может вытекать через толстый слой льда.
В отношении определения обитаемости предстоит проделать еще много работы. Как говорят авторы в своей статье, «в дальнейшей работе можно было бы рассмотреть более сложные модели гидродинамического выхода». В экзопланетах больше разнообразия и сложности, чем мы знаем сейчас, но это исследование начинает затрагивать некоторые из них.
Больше:
- Пресс-релиз: Зона Златовласка для размера планеты
- Научно-исследовательская работа: эволюция атмосферы в низко гравитационных водных мирах
- Журнал Space: Какие жилые зоны являются лучшими для поиска жизни?
