Охотясь за потенциально обитаемыми экзопланетами, одна из самых важных вещей, которые ищут астрономы, заключается в том, вращаются ли кандидаты в экзопланеты в обитаемой зоне их звезды. Это необходимо для существования жидкой воды на поверхности планеты, что, в свою очередь, является необходимым условием для жизни, какой мы ее знаем. Тем не менее, в ходе открытия новых экзопланет ученые узнали об экстремальном случае, известном как «водные миры».
Водные миры - это, по сути, планеты с массовой долей воды до 50%, что приводит к образованию поверхностных океанов, глубина которых может достигать сотен километров. Согласно новому исследованию, проведенному группой астрофизиков из Принстона, Мичиганского университета и Гарварда, водные миры, возможно, не смогут долго держаться за воду. Эти открытия могут иметь огромное значение, когда речь заходит об охоте на обитаемые планеты в нашей шее космоса.
Это последнее исследование под названием «Обезвоживание водных миров посредством атмосферных потерь» недавно появилось в «Астрофизическом журнале». Под руководством Чуанфея Донга из Отдела астрофизических наук Принстонского университета команда провела компьютерное моделирование, которое учитывало, каким условиям будут подвержены водные миры.
Это исследование было мотивировано в основном количеством открытий экзопланет, которые были сделаны вокруг звездных систем малой массы, типа М (красный карлик) в последние годы. Было обнаружено, что эти планеты сопоставимы по размерам с Землей, что указывало на то, что они, вероятно, были земными (то есть скалистыми). Кроме того, было обнаружено, что многие из этих планет - такие как Проксима b и три планеты в системе TRAPPIST-1 - вращаются в пределах обитаемых звезд.
Однако последующие исследования показали, что Проксима В и другие каменистые планеты, вращающиеся вокруг звезд красных карликов, на самом деле могут быть водными мирами. Это было основано на оценках массы, полученных астрономическими исследованиями, и встроенных предположениях, что такие планеты были скалистыми по природе и не имели массивных атмосфер. В то же время было проведено множество исследований, которые ставят под сомнение способность этих планет удерживать свою воду.
В основном все сводится к типу звезды и орбитальным параметрам планет. В то время как долгоживущие, красные карликовые звезды известны своей изменчивостью и нестабильностью по сравнению с нашим Солнцем, что приводит к периодическим вспышкам, которые со временем разрывают атмосферу планеты. Кроме того, планеты, движущиеся по орбите в пределах обитаемой зоны красного карлика, вероятно, будут заблокированы по центру, то есть одна сторона планеты будет постоянно подвергаться облучению звезды.
Из-за этого ученые сосредоточены на определении того, насколько хорошо экзопланеты в различных типах звездных систем могут удерживать свою атмосферу. Как сказал доктор Донг Space Magazine по электронной почте:
«Справедливо сказать, что наличие атмосферы воспринимается как одно из требований к обитаемости планеты. Сказав это, концепция обитаемости является сложной с участием множества факторов. Таким образом, одной атмосферы недостаточно для обеспечения обитаемости, но ее можно рассматривать как важный компонент для пригодности для обитания планеты ».
Чтобы проверить, сможет ли водный мир удержать свою атмосферу, команда провела компьютерное моделирование, которое учитывало множество возможных сценариев. К ним относятся эффекты звездных магнитных полей, выбросы корональной массы, а также атмосферная ионизация и выбросы для различных типов звезд, включая звезды G-типа (например, наше Солнце) и звезды M-типа (например, Proxima Centauri и TRAPPIST-1).
С учетом этих эффектов доктор Донг и его коллеги получили всеобъемлющую модель, которая имитировала, как долго будет длиться атмосфера экзопланет. Как он это объяснил:
«Мы разработали новую мультижидкостную магнитогидродинамическую модель. Модель моделировала как ионосферу, так и магнитосферу в целом. Из-за существования дипольного магнитного поля звездный ветер не может смести атмосферу напрямую (как Марс из-за отсутствия глобального дипольного магнитного поля), вместо этого потеря атмосферных ионов была вызвана полярным ветром.
«Электроны менее массивны, чем их исходные ионы, и, как следствие, их легче разогнать до и вне скорости вылета планеты. Такое разделение зарядов между уходящими электронами малой массы и значительно более тяжелыми положительно заряженными ионами создает поляризационное электрическое поле. Это электрическое поле, в свою очередь, действует, чтобы вытягивать положительно заряженные ионы вдоль уходящих электронов из атмосферы в полярных шапках ».
Они обнаружили, что их компьютерное моделирование соответствовало существующей системе Земля-Солнце. Однако в некоторых экстремальных ситуациях, таких как экзопланеты вокруг звезд типа М, ситуация совершенно иная, и скорость побега может быть в тысячу раз больше или больше. Результат означает, что даже водный мир, если он вращается вокруг звезды красного карлика, может потерять свою атмосферу примерно через год (год), через миллиард лет.
Учитывая то, что жизнь, как мы знаем, потребовала около 4,5 миллиардов лет, один миллиард лет - это относительно короткое окно. На самом деле, как объяснил доктор Донг, эти результаты показывают, что планетам, которые вращаются вокруг звезд типа М, будет трудно развиваться:
«Наши результаты показывают, что планеты океана (вращающиеся вокруг звезды, подобной Солнцу) будут сохранять свои атмосферы намного дольше, чем шкала времени Gyr, так как скорости выхода ионов слишком низки, поэтому это позволяет увеличить продолжительность жизни на этих планетах. и развиваться с точки зрения сложности. Напротив, для экзопланет, вращающихся вокруг M-карликов, их океаны могут истощаться в течение периода времени Gyr из-за более интенсивной среды частиц и радиации, которую экзопланеты испытывают в тесных обитаемых зонах. Если бы атмосфера была истощена в течение меньшего времени, чем Гир, это могло бы оказаться проблематичным для происхождения жизни (абиогенеза) на планете ».
Опять же, эти результаты ставят под сомнение потенциальную пригодность звездных систем красного карлика. В прошлом исследователи указывали, что долговечность звезд красных карликов, которые могут оставаться в своей основной последовательности до 10 триллионов лет или дольше, делает их лучшим кандидатом для поиска обитаемых экзопланет. Однако стабильность этих звезд и то, как они могут лишать планеты своей атмосферы, по-видимому, указывают на обратное.
Такие исследования, как это, поэтому очень важны тем, что они помогают определить, как долго потенциально обитаемая планета вокруг звезды красного карлика может оставаться потенциально пригодной для жизни. Донг указал:
«Учитывая важность атмосферных потерь для обитаемости планет, был большой интерес к использованию телескопов, таких как предстоящий Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), чтобы определить, есть ли у этих планет атмосферы и, если да, каков их состав , Ожидается, что JWST должен быть способен характеризовать эти атмосферы (если таковые имеются), но для точного количественного определения скоростей побега требуется гораздо более высокая степень точности и, возможно, это будет невозможно в ближайшем будущем ».
Это исследование также важно для нашего понимания Солнечной системы и ее эволюции. В свое время ученые решили, что и Земля, и Венера могли быть водными мирами. Как они сделали переход от того, чтобы быть очень водянистым к тому, что они сегодня - в случае Венеры, сухой и адской; а в случае Земли наличие нескольких континентов - это очень важный вопрос.
В будущем ожидаются более подробные исследования, которые могут помочь пролить свет на эти конкурирующие теории. Когда космический телескоп Джеймса Вебба (JWST) будет развернут весной 2018 года, он будет использовать свои мощные инфракрасные возможности для изучения планет вокруг близлежащих красных карликов, одним из которых является Proxima b. То, что мы узнаем об этой и других отдаленных экзопланетах, во многом поможет нам понять, как развивалась наша Солнечная система.
