Если каменистая планета находится в обитаемой зоне звезды, похожей на Солнце, всё выглядит идеально. Жидкая вода? Галочка. Правильная температура? Галочка. Но есть подвох. Если планета слишком мала, она не сможет удержать воздух, необходимый для поддержания жизни.
Итак, насколько маленькой она может быть? Можно ли уменьшить Землю, сохранив её дышащую оболочку?
Планетолог из Калифорнийского университета в Риверсайде Мишель Хилл недавно провела моделирование, чтобы ответить на этот вопрос. Выводы оказались беспощадными: экзопланета должна быть хотя бы размером с Марс, чтобы поддерживать атмосферу на протяжении нескольких миллиардов лет, необходимых для зарождения жизни. Миры меньшего размера теряют свой газ быстрее, чем способны его восполнить.
Ловушка обитаемой зоны
Обитаемая зона — это идеальная недвижимость для внеземной жизни. Это узкая полоса вокруг звезды, где температуры позволяют воде скапливаться на поверхности в жидком состоянии. Это также опасный район.
Близость к звезде означает воздействие звездного ветра и интенсивного излучения. Эти силы действуют на атмосферу планеты подобно наждачной бумаге. Чем ближе вы к звезде, тем сильнее дует ветер. Чем тоньше ваша атмосфера, тем легче её сдует.
Хилл и её команда смоделировали планеты земного типа разных размеров, вращающихся в этих зонах. Они хотели точно определить, когда планета становится слишком крошечной, чтобы противостоять такой звездной эрозии.
Ответ?
Планета, способная поддерживать атмосферу, должна иметь в среднем 80% ширины Земли. Теоретически некоторые могут выжить при 60%, но только при определенных, удачных условиях. Для астробиологов, изучающих «множество» открытых экзопланет, эти данные служат фильтром. Времени на телескопах недостаточно, чтобы проверить каждого кандидата. Сужение круга поиска стало не просто желательным, а жизненно необходимым.
Вулканы против ветра
Модель команды, названная «Моделью обитаемости планет меньше Земли», обращается с цифровыми планетами как с Землей. Те же пропорции ядра, мантии и коры. Та же химическая база. Затем они меняли переменные: больше углерода, разный размер ядра, разная начальная температура.
На протяжении миллиардов лет за доминирование сражаются две силы:
- Сдувание: Звездный ветер и излучение выдувают газ.
- Пополнение: Вулканы выбрасывают газ (в основном CO₂) обратно.
Маленькие планеты проигрывают эту битву.
У них слабее гравитация. Их магнитные поля тоньше и предлагают меньшую защиту от заряженных частиц. Их мантии остывают и твердеют быстрее, рано останавливая вулканический двигатель. Когда вулканы замолкают, у атмосферы нет запасного источника. Она исчезает.
Чтобы сохранить атмосферу на долгие сроки, планета обычно нуждается в пороге 80% радиуса Земли. Ниже этого предела утечки превышают возможности пополнения.
Углеродная переменная
Это еще не полный приговор для малых миров. Модель показывает, что планеты размером до 0,6 радиуса Земли могут удержать атмосферу, если они богаты углеродом.
Диоксид углерода — тяжелая молекула. Стеллярному ветру труднее унести тяжелые молекулы, чем легкие. Чистая CO₂-атмосфера создает наилучшие условия для удержания.
Но достичь этого сложно. Таким малым, богатым углеродом мирам необходимо:
- Более крупные мантии относительно их ядер.
- Высшее содержание радиоактивных элементов для поддержания внутренней температуры дольше.
- Более холодная начальная мантия.
Подождите, холодный старт помогает? Да. Сверхнагретая мантия извергается violently сразу же, выбрасывая газ, который сразу же сметают вспышки новорожденной звезды. Более холодная мантия сдерживается. Она ждет. Когда звезда успокоится, а её вспышки утихнут, планета наконец выпускает свой газ. К этому моменту окружающая среда достаточно стабильна, чтобы атмосфера закрепилась.
Жизнь на мирах без атмосферы?
Означает ли потерю первой атмосферы конец игры? Не обязательно.
Даже бес Atmospheric планетам может дать второй шанс. Удары комет и астероидов могут доставить летучие элементы, такие как водород, кислород и углерод, спустя долгое время после формирования планеты. Если эти удары происходят позже в жизни звездной системы, они могут создать новую атмосферу с нуля.
«Хотя меньшие планеты сталкиваются с большими трудностями… наша модель предполагает, что они могут развить атмосферу», — написала Хилл.
Их не следует сразу списывать со счетов. Каменистый мир размером с Марс, битый ударами в течение миллиарда лет, может просто просыпаться для своего второго дыхания воздуха.
Взгляд в будущее
Модель указывает на новые цели. Красные карлики. Эти холодные, маленькие звезды составляют 75% нашей галактики. Звезды вроде TRAPPIST-1 имеют несколько каменистых миров в обитаемой зоне. Их тусклость облегчает телескопам вроде JWST обнаружение атмосферных фильтров во время транзитов планет.
В будущих симуляциях также будут изучаться прилив-запертые планеты. Миры, где одна сторона всегда обращена к звезде. Где приливные силы поддерживают внутреннюю сейсмическую активность, подобно луне Юпитера Ио.
Поиск внеземной жизни меняется. Мы больше не ищем просто двойников Земли. Мы ищем устойчивых выживших. Планеты размером с Марс. Углеродные аутсайдеры. Миры без атмосферы, ожидающие следующего крупного удара.
Вселенная беспорядочна. Жизни, возможно, не нужна сцена размером с Землю, чтобы дать представление. Ей может потребоваться лишь достаточно гравитации, чтобы занавес не сдуло.
