Нещодавно опубліковані дослідження докорінно змінюють наше уявлення про те, як формуються планети, здатні стати домом для живих істот. Вивчаючи планети поза Сонячною системою, дослідники все більше переходять від простого опису побаченого до пояснень того, як ці планети стали такими, якими вони є.
Зона придатності до життя
2018 рік став проривним у контексті публікацій, присвячених аналізу придатності до життя вже відкритих екзопланет. Це пов’язано з тим, що величезний масив даних з майже 4 000 екзопланет, відкритих нині, став доступним для інших дослідників та громадськості.
У квітні група вчених з Нью-Йоркського університету та Каліфорнійського технологічного університету опублікувала роботу, у якій вони розглянули 147 зоряних систем, що містять “важкі” планети. Представлені у дослідженні планети мали масу від 10 до 1 000 мас Землі. Вибірка охопила не лише аналоги Юпітера, але й “надземлі“.
Зони придатності до життя для різних типів зір (зверху до низу): великі (гарячі) зорі, сонцеподібні, менші (прохолодніші) зорі. Джерело: NASA
Однак вчених цікавили не самі планети, а те, як вони можуть вплинути на можливу землеподібну планету всередині “зони придатності до життя” цієї зорі.
“Зона придатності до життя” – це уявне кільце навколо зорі, внутрішній край якого відповідає максимальній кількості енергії, яку планета може отримати від зорі та все ще мати клімат, придатний для живих істот. Зовнішній край цього уявного кільця – це максимальна відстань, на якій планета не перетворюється на суцільну крижану сферу.
Як на нас впливають інші планети?
Потрапити до цієї зони планеті земної маси не так вже й просто. Важкі планети час від часу мігрують всередині системи, і для менш масивних планет це може закінчитися катастрофою: вони можуть зіштовхнутися з ними, їх можуть виштовхнути з системи чи на зустріч зорі, або їхня орбіта може змінитися на таку, що лежить поза “зоною придатності до життя”.
І навіть якщо важкі планети не мігрують, їхня гравітація все одно впливає на близькі до них та менші за розміром тіла. Якщо ж землеподібна планета залишиться на місці, у неї під впливом планет-гігантів може змінюватися ексцентриситет орбіти. Ексцентриситет – це величина від 0 до 1, яка характеризує те, наскільки орбіта планети близька до окружності. Коли ексцентриситет дорівнює 0 планета має кругову ідеальну орбіту, а при 1 орбіта витягується у лінію, яка веде планету у міжзоряний простір.
Художнє зображення покинутої планети, яка дрейфує у космосі. Джерело: Christine Pulliam (CfA)
Земля знаходиться достатньо далеко від масивних тіл. Її ексцентриситет змінюється у межах 0…0,06 протягом кількох мільйонів років. Однак навіть це викликає так звані цикли Міланковича, які за останні кілька мільйонів років призвели до кількох зледенінь на Землі.
Тож дослідники побудували для кожної зі 147 систем моделі поведінки гіпотетичної землеподібної планети у зоні, придатній до життя. Хоча остаточно невідомо, як швидко клімат на планеті змінюється під час зміни її орбіти. Тож насправді, для кожної з планет було побудовано три моделі. Одна – для планети з “нульовою кліматичною інерцією”, друга – для планети, на якій клімат змінюється з певною затримкою, та третю – для планети, на якій при змінах орбіти клімат змінюється надзвичайно повільно.
“Гарячі Юпітери” можуть бути добрими сусідами
Як і слід було чекати, для більшості моделей близькість масивної планети звужує “реальну зону придатну до життя”. Тобто простір, у якому можуть існувати орбіти планет, схожих на Землю, виявляється значно меншим, ніж цього можна очікувати, виходячи лише зі світності зорі. Це справедливо для більшості “теплих” (тобто таких, що знаходяться всередині “зони придатності до життя”) та “холодних” важких планет.
Але коли кліматична інерція планети дуже велика (тобто вона має властивість “накопичувати” тепло від зорі), “гарячі” чи “дуже холодні” масивні сусіди, які знаходяться на орбітах, близьких до кругових, можуть ніяк не впливати на придатність планети до життя. А “гарячі Юпітери”, особливо якщо вони знаходяться у припливній взаємодії з зорею (тобто завжди повернуті до неї одним боком) можуть взагалі “розширювати” зону, де може існувати життя.
Художнє зображення “гарячого юпітера”. Джерело: ESO/L. Calçada
Це дослідження дуже важливе з тієї причини, що ми досі можемо побачити землеподібну планету на значно меншій відстані від нас, ніж “надземлю” чи планету-гігант. Але тепер ми отримали достатньо надійний інструмент для оцінки перспективності тієї, чи іншої системи.
Цикли Міланковича
Через місяць після попередньої статті вийшло дослідження Рассела Дейтріка з Бернського університету, який нагадав усім, що крім ексцентриситету орбіти, в екзопланет також наявний нахил осі обертання до площини орбіти. І цей параметр впливає на те, чи не перетвориться землеподібна планета на сніжок, аж ніяк не менше, а можливо й більше за те, що досліджували американські вчені.
Згадані цикли Міланковича залежать не тільки від зміни ексцентриситету. На ці періодичні зміни накладаються цикли прецесії орбіти Землі, цикли зміни нахилу вісі Землі під впливом інших планет та зміщення перигелію земної орбіти.
Цикли Міланковича враховують зміни у формі еліптичної орбіти, прецесії та нахилу вісі орбіти планети. Джерело: Universe Today
Модель того, як це може відбуватися на інших планетах, та як від того змінюється крижаний покрив і розробляв Дейтрік. Його робота містить безліч рішень для окремих випадків. Наприклад, він встановив, що коли нахил осі досягає 35 градусів, і в цей час через великий ексцентриситет стається льодовиковий період, то цей льодовиковий період не є стабільним. Якщо ексцентриситет при цьому продовжує зростати, то льодовики будуть неконтрольовано збільшуватися поки не вкриють усю поверхню планети. Якщо ж ексцентриситет зменшується, то льодовики майже миттєво зникають.
Моделювання також підтвердило величезну роль теплової інерції планети у формуванні клімату. Планети з тонкими атмосферами та вузькими морями схильні до більш хаотичних змін клімату, викликаних найменшими змінами орбіти чи нахилу вісі. У той же час великі планети, вкриті водою та масивною атмосферою демонструють відносно низьку чутливість до цих змін.
Стабільні зони придатності до життя
Дослідники також встановили, що хоча на Землі вплив зміни нахилу вісі на формування крижаних щитів значно більший, ніж вплив зміни ексцентриситету орбіти, це не є загальним правилом, а пояснюється досить незначним ексцентриситетом орбіти Землі.
На інших планетах, де ексцентриситет більший, усе може йти геть інакше. Вже при ексцентриситеті орбіти 0,1-0,3, при якому орбіта планети нібито не виходить за межі зони, придатної для життя, основним фактором, який впливає на клімат планети, стає саме зміна форми еліптичної орбіти.
Загалом моделювання показало, що навіть у ситуації, коли загальна кількість енергії, яку отримує планета протягом року, не змінюється впродовж мільйонів років, її клімат може дуже сильно змінюватися.
Зміна ексцентриситету та зміна нахилу вісі у різних комбінаціях можуть забезпечувати який завгодно клімат, починаючи від такого, коли океани та суходіл планети повністю звільняються від криги на весь рік та закінчуючи “планетою-сніжком”.
Вивчивши серію зледенінь планети близько 720 – 635 млн років тому, вчені запропонували гіпотезу “Землі-сніжка”. Джерело: NASA
Головний же висновок, який було зроблено в результаті цієї роботи, полягає у тому, що ніякої “зони придатності до життя”, знаходження планети у якій гарантує придатний для життя клімат, просто не існує. Вплив параметрів обертання планети легко “перекриває” вплив інтенсивності випромінювання від зорі на певній відстані. Відносно стабільні протягом мільярдів років орбіти планет – надзвичайна рідкість, та в великих масштабах часу усі землеподібні планети переживають тривалі періоди зледеніння та повної відсутності криги.
“Орбітальна” історія земного клімату
Але як усі ці зміни могли впливати на історію самої Землі? Відомі нам кайнозойські зледеніння були насправді відносно короткочасними явищами, які тривали всього кілька тисяч років. Фактично, останні два десятки мільйонів років Земля існує в умовах кліматичної нестабільності. Однак у її історії є більш тривалі періоди, тривалістю у десятки мільйонів років зледеніння та повної відсутності криги, зокрема й такі, під час яких Земля повністю вкривалася крижаними щитами.
Художнє зображення Венери у прадавні часи, коли вона мала рідкі океани. Джерело: NASA
Якими були цикли зміни ексцентриситету орбіти Землі та нахилу вісі її обертання у цей період? Чи були вони такими самими, як і зараз? Тоді існування “землі-сніжка” пояснюється лише певними “виключно земними” факторами зміни клімату? Чи може тоді вплив планет-гігантів на Землю з якоїсь причини був сильнішим, і її ексцентриситет змінювався у значно ширших межах? Відповідей на ці питання поки що немає.
Землеподібна Кеплер-186f
А тим часом у червні 2018 року дослідники із Технологічного інституту Джорджії опублікували роботу, присвячену дослідженню Кеплер-186f. Ця планета, що розташована у 492 світлових роках від нас у сузір’ї Лебідя цікава тим, що це перша відкрита землеподібна планета у «зоні придатності до життя» іншої зірки.
Звичайно, що дослідникам було цікаво, наскільки ж схожою на землю вона насправді є. І звичайно, перше, на що вони звернули увагу – це нахил вісі обертання до орбіти і його стабільність. У опублікованій роботі доводиться, що нахил вісі обертання планети є дуже стабільним.
Екзопланета Kepler-186f. Джерело: NASA
Для Кеплер-186f це є цікавим результатом, оскільки ця екзопланета обертається біля зовнішньої межі “зони придатності до життя”, і нестабільний кут обертання означав би, що вона схожа за своїми умовами на Марс. Наявність же стабільного кута нахилу вісі обертання, разом із масивністю планети може свідчити про те, що вона насправді схожа на Землю, і на ній відбувається зміна сезонів.
Крім вищеназваної планети дослідники вивчили і планету Кеплер-62f. Ця “надземля” розташована у 1200 світлових роках від нас. До відкриття у 2014 році Кеплер-186f вважалася найбільш схожою на Землю планетою з усіх відомих. Нині ж для неї встановлена стабільність нахилу вісі, тож нам відомо, що там можливі зміни сезонів.
Ймовірно, щойно Космічний телескоп ім. Джеймса Вебба почне спектроскопічні дослідження екзопланет, одним із перших об’єктів вивчення стане саме Кеплер-186f. Поки що ж, навіть маса цієї планети лишається невідомою.
На початку вивчення планет
Фактично усі ці дослідження є лише початком шляху вивчення світу навколо нас. Багато століть ми знали тільки планети нашої влансої зоряної системи, причому знали їх такими, якими вони є зараз. Тому питання про те, чи є вони типовими, як вони виникли і чи завжди були такими, якими ми їх знаємо, лишалися поза компетенцією науки. Тепер, коли ми знаємо про сотні й тисячі планет, ми можемо перейти до порівняння. Ми можемо говорити про зміни клімату на планетах у часі. Ми можемо говорити про певні закономірності їхньої еволюції.
Тридцять років тому сама думка про те, що десь за межами Сонячної системи взагалі існують планети, лишалася недоведеною. Зараз ми говоримо про те, що це не якісь, а дуже схожі на Землю планети є достатньо розповсюдженими у Всесвіті. Уявіть, що ми будемо знати ще за 30 років.
Astrophysical Journal (2018), doi: 10.3847/1538-4357/aaaf72; arXiv:1805.00283 [astro-ph.EP], arxiv.org/abs/1805.00283; The Astronomical Journal (2018), doi: 10.3847/1538-3881/aabfd1.
Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.