Для того чтобы планета считалась пригодной для жизни, на ней должна быть жидкая вода. Клетки, являющиеся наименьшей единицей жизни, нуждаются в воде для функционирования. Для существования жидкой воды температура планеты должна быть соответствующей. Но как обстоит дело с размером планеты?
Масса планеты определяет силу ее гравитации, которая необходима для удержания воды. Исследование изучает влияние размера планеты на ее способность сохранять воду и, соответственно, на возможность существования на ней жизни.
Вопрос о том, что может сделать планету пригодной для жизни, вызывает споры. Это касается не только экзопланет, но и некоторых лун нашей Солнечной системы в будущем. Ученые достаточно точно представляют, сколько энергии должна получать планета от звезды для поддержания жидкой воды. Это привело к распространенному представлению о «зоне обитаемости», или околозвездной обитаемой зоне – диапазоне близости к звезде, который не является ни слишком близким, ни слишком далёким, чтобы на планете сохранялась жидкая вода.
С увеличением числа обнаруженных экзопланет в обитаемых зонах и совершенствованием телескопов для их изучения ученым необходимы критерии отбора объектов для наблюдений.
Новую статью под названием «Атмосферная эволюция в маломощных водных мирах» опубликовал «Астрофизический журнал». Автором работы является Константин В. Арншайд, аспирант Массачусетского технологического института.
Для сохранения жидкой воды на поверхности и в атмосфере. экзопланетаЭкзолуны должны быть достаточно массивными, иначе вода и атмосфера просто исчезнут в космосе. Также экзолуна должна сохранять воду в течение миллиарда лет для возникновения жизни.
«Когда люди размышляют о границах зоны обитания, то часто сосредоточиваются только на её пространственном положении относительно звезды, — отметил Константин Арншайдт, автор статьи. — Однако существуют и другие переменные, влияющие на возможность существования жизни, например, масса планеты. Определение нижней границы обитаемости с точки зрения размера небесного тела позволяет сузить поиски пригодных для жизни экзопланет и экзолун».
Большой и диапазон обитаемой зоны определяются звездой. Маленькая, менее энергичная звезда, например красный карлик, формирует зону жизни ближе к себе, чем более крупная звезда, как наше Солнце. Если планета слишком далека от звезды, вода замерзает. Слишком близко — парниковый эффект приводит к испарению воды в космос.
Для малых планет с меньшей массой происходят более значительные явления. Такие планеты способны противостоять чрезмерному парниковому эффекту.
По мере нагрева планеты с меньшей массой её атмосфера расширяется и становится больше по сравнению с размером планеты. Это приводит к двум эффектам: увеличенная поверхность позволяет атмосфере поглощать больше энергии и излучать ее в большей количестве.
По мнению исследователей, расширенная атмосфера гасит безудержный парниковый эффект и может поддерживать на поверхности жидкую воду. Это значит, что эти планеты могут находиться ближе к своей звезде, не теряя воды, тем самым расширяя зону обитаемости для небольших экзопланет.
Если планета слишком мала, у неё недостаточно силы тяжести. Атмосфера исчезнет, а вода либо вылетит из системы, либо замерзнет на поверхности. В таком случае перспективы для жизни туманны. Учёные считают, что для обитаемой планеты существует минимальный размер. Это означает, что, кроме «зоны комфорта» около звезды, есть ещё и ограничение по размерам.
Даже находясь в зоне обитаемости, планета может оказаться слишком малой для жизни.
Согласно Арншайдту и другим исследователям, критический размер планеты для поддержания жизни равен 2,7 процентам массы Земли. При меньшем размере планета не сможет удерживать атмосферу и воду достаточно долго, чтобы появилась жизнь. Для сравнения: Луна составляет 1,2 процента от массы Земли, а Меркурий — 5,53 процента.
Учёные рассматривают кометы в качестве примера. Кометы содержат много воды, которая испаряется поближе к Солнцу. Однако им недостаёт массы для удержания этого пара, и они никогда не могут сформировать атмосферу. Вода исчезает в космосе. Таким образом, планета, слишком маленькая, даже с большим количеством воды, никогда бы не смогла её сохранить.
Учёные применили модели для определения зоны, пригодной для жизни на планетах малой массы вблизи двух видов звёзд: красных карликов (звёзд М-типа) и звезд типа G, аналогичных Солнцу.
Возможно, исследователи решили еще один давний вопрос о возможности жизни в нашей Солнечной системе. У спутников Юпитера Ганимеда, Каллисто и Европы много жидкой воды, зажатой под слоями льда. Астрономы задавались вопросом, смогут ли эти объекты стать пригодными для жизни, когда Солнце будет излучать больше энергии в какой-то момент своего звездного будущего. Но, согласно работам авторов, им не хватает массы, чтобы удержать воду, даже если они станут достаточно теплыми. Ганимед, близкий по массе к Земле на 2,5%, но слишком мал, чтобы быть подобным ей и сохранить всю свою воду в космосе.
Маломассовые водные миры — захватывающее направление в поиске жизни, и данный документ демонстрирует, насколько их поведение вероятно сравнится с поведением планет, подобных Земле. Как только наблюдения для этого класса объектов станут возможны, будет интересно напрямую проверить эти предсказания.
В своей работе исследователи сделали несколько предположений. Предполагалось, что атмосфера миров с низкой массой состояла из чистого водяного пара. Также предполагалось, что вода занимала 40% массы планеты. При этом игнорировались другие факторы: цикличность CO2, облачность и химический состав океана. На этой стадии работы число переменных для моделирования было слишком большим.
Исследователи рассматривают возможность существования обитаемых экзолун в других солнечных системах. Возможно, спутники небесных тел окажутся более благоприятными для жизни, чем сами планеты. В таком случае на обитаемость будут влиять другие факторы, например, приливные силы.
Это особенно актуально для звезд типа М или красных карликов. Поскольку околозвездная зона обитаемости вокруг таких низкоэнергетических звезд расположена ближе к звезде, чем вокруг звезды типа G, такого как наше Солнце, совокупное воздействие гравитации экзолуны, его планеты и звезды может полностью уничтожить возможность существования жизни.
Рассматривают и другие факторы, влияющие на возможность существования жизни. Например, даже если луна, например Ганимед, слишком мала для жизни по их модели, подземные океаны с водой, не могущей вытекать через толстый слой льда, могут быть обитаемыми.
Определение обитаемости требует дальнейших исследований. Авторы статьи предлагают в будущем изучить более сложные модели гидродинамического сбега. Экзопланеты обладают большим разнообразием и сложностью, чем мы сейчас понимаем, но данное исследование затрагивает некоторые из них.