Насколько маленькой может быть планета, чтобы атмосфера и, следовательно, основа известной нам жизни могли сохраняться достаточно долго, дабы там могла возникнуть и развиться жизнь? Американские исследователи озадачились этим вопросом и описали, помимо «обитаемой зоны», еще одну особенность пригодности планет для жизни. В то же время они нашли ответ и на давнюю астробиологическую загадку.
На этом рисунке показан нижний предел планетарной массы, при которой на планете возможно возникновение и существование жизни. © Harvard SEAS
Как пишет команда под руководством Константина У. Арншайдта из Гарвардского университета в журнале Astrophysical Journal, они определили новый нижний предел размера планет, при котором планета или луна могут связывать атмосферу и поддерживать поверхностную воду в жидком состоянии в течение длительных периодов времени. Таким образом, новое исследование расширяет область поиска жизни во вселенной и подчеркивает важный процесс эволюции атмосферы на малых планетах с соответственно низкой гравитацией.
«Если мы думаем об ограничениях обитаемой зоны, мы обычно думаем только о пространственных факторах, например, насколько близко планета вращается вокруг своей звезды», — объясняет Константин Арншайдт, ведущий автор исследования. — «На самом деле, имеется много других переменных обеспечения условий для жизни, включая планетарную массу. Установление нижней границы размера планеты пригодности для жизни дает нам важное преимущество в нашем постоянном поиске пригодных для жизни экзопланет и экзолун
Подоплека
Как правило, планеты считаются пригодными для жизни, если они могут удерживать поверхностные воды в жидком состоянии (в отличие от замерзшей или испаряющейся воды) достаточно долго, чтобы поддерживать жизнь — по консервативным оценкам, по меньшей мере, один миллиард лет. Это возможно, когда планета вращается вокруг своей звезды в пределах так называемой обитаемой зоны. Эта «благоприятная для жизни зона» описывается как область, находящаяся в диапазоне расстояний, в пределах которой планета должна вращаться вокруг своей звезды, чтобы благодаря умеренным температурам на ее поверхности вода могла существовать в жидкой форме — и, следовательно, обеспечивать основу для, по крайней мере, известной нам земной форме жизни . Меньшие звезды, то есть звезды меньше, холоднее и легче нашего Солнца, имеют зону обитания ближе, чем более крупные и более горячие звезды.
Внутренний край этой «зеленой зоны» определяется тем, насколько близко планета может вращаться вокруг своей звезды, прежде чем безудержный парниковый эффект приведет к испарению всей поверхностной воды. Однако, как показали Арншайдт и его коллеги, это определение не распространяется на малые планеты с низкой гравитацией.
Такой безудержный парниковый эффект возникает, когда атмосфера поглощает больше тепла, чем может выпустить обратно в космос. Это блокирует охлаждение планеты, что в конечном итоге приводит к неудержимому потеплению, которое в конечном итоге превращает существующие океаны в пар.
Но если размер планеты уменьшается, происходит нечто важное: когда они нагреваются, их атмосфера расширяется наружу и увеличивается в пропорции к размеру планеты. Такие расширенные атмосферы увеличивают как абсорбцию, то есть поглощение, так и излучение тепла, что позволяет планете поддерживать более стабильную температуру. Ученые обнаружили, что расширение атмосферы не допускает у планет с низкой гравитацией прохождения через безудержный парниковый эффект, позволяя им поддерживать жидкую поверхностную воду, когда они движутся по орбите ближе к своим звездам.
Но если планеты слишком малы, они теряют всю свою атмосферу, а жидкая поверхностная вода замерзает или испаряется. В своем исследовании ученые показывают, что существует критический размер, ниже которого планета никогда не может быть благоприятной для жизни.
Это, в свою очередь, означает, что благоприятная для жизни зона ограничена не только в пространстве, но и с точки зрения размера планеты.
Таким образом, критический размер достигается примерно на 2,7 процентах от массы Земли (см. верхний рисунок). «Если масса объекта меньше, чем 2,7 процента массы Земли, его атмосфера испарится еще до того, чем он когда-либо сможет создавать жидкие поверхностные воды, процесс, который известен сегодня на примере комет. Для наглядности уточним: масса Луны составляет 1,2 процента земной массы, а Меркурия — 5,53 процента».
На этом рисунке луна Ганимед облетает гигантскую планету Юпитер. © NASA / ESA
Кроме того, ученые группы Арншайдта смогли оценить благоприятные для жизни зоны таких маленьких планет возле определенных типов звезд. С этой целью были смоделированы два сценария для двух разных типов звезд: такими звездами стали звезда типа G, как наше собственное Солнце, и звезда типа M, которая была смоделирована по образцу красного карлика в созвездии Льва.
И исследователи удалось решить еще одну давнюю загадку, существовавшую в нашей собственной Солнечной системе: долгое время астрономы задавались вопросом, могут ли стать ледяные спутники Юпитера — Европа, Ганимед и Каллисто (под километрами ледяных корок которых скрыты жидкие океаны) — благоприятными для жизни, если излучение Солнца увеличится. Если исходить из этих исследований, то вывод состоит в том, что даже эти луны слишком малы, чтобы удерживать жидкие поверхностные воды, даже если они находились бы ближе к Солнцу. «Водные миры с малыми массами — это увлекательный способ поиска жизни, и эта работа показывает, насколько их поведение может отличаться от поведения планет, подобных Земле».
