Чи “здує” атмосферу екзопланети зоряний вітер?

Дослідники продовжують вивчати різні особливості екзопланет, які можуть бути схожими на Землю. І якщо ми збираємось відшукати життя на інших планетах, нам потрібно розібратись, наскільки стійкими вони є перед силою власних зір.

Зоряний вітер

Ще кілька років тому саме існування землеподібних планет залишалось гіпотетичним, і тому питання того, як “зоряний вітер” впливає на їхню атмосферу, зустрічалося в наукових публікаціях досить нечасто. Водночас, ця проблема давно вже відома. Зоряний вітер – це потік важких іонізованих частинок, що його випромінює будь-яка зоря. Ці частинки мають високу енергію, тож потенційно можуть викликати руйнівний вплив на купу речей: від озонового шару атмосфери до електронного обладнання.

Сонячний вітер та магнітосфера Землі
Сонячний вітер та магнітосфера Землі. Джерело: NASA

Земля постійно зазнає впливу сонячного вітру. Однак, оскільки вона відносно віддалена від Сонця, щільність сонячного вітру є невисокою. Його легко затримують потужне магнітне поле та атмосфера планети. Але час від часу на Сонці відбуваються вибухи, відомі нам як сонячні спалахи, і тоді потік частинок посилюється в тисячі разів, а ми починаємо спостерігати магнітні бурі.

На Землі ми знаходимося у відносно спокійних умовах. Землеподібні планети в інших системах можуть знаходитися значно ближче до своїх зір. Така ситуація часто складається, наприклад, у системах червоних карликів. Через низьку світність зона придатності до життя в цих зір знаходиться всього у кількох мільйонах кілометрів від поверхні зорі. Звичайно, що в таких умовах щільність зоряного вітру буде значно вищою.

Зона придатності до життя різних зоряних систем
Зона придатності до життя різних зоряних систем (художнє зображення). Джерело: NASA

Щобільше, значна частина червоних карликів є змінними зорями, а їхня змінність полягає у тому, що достатньо часто на їхній поверхні відбуваються вибухи, подібні до сонячних спалахів, але значно потужніші.

Запис коронографа LASCO C2 SOHO від 2 квітня 2001 року, на якому зафіксований один з найпотужніших спалахів в сучасній історії спостережень за Сонцем (X20). Біле кільце позначає розміри Сонця. Джерело: SOHO/NASA

Спалахи такої сили можуть не лише знищити життя на планеті, але й завиграшки “здути” її атмосферу.

Справи в околицях Проксими b

Сталося так, що два роки тому усі ці теоретичні проблеми стали реальністю, коли астрономи оголосили, що найближча до Сонця зоря має землеподібну планету в зоні придатності до життя. Не дивно, що Проксима Центавра також є червоним карликом, адже 75% зір по сусідству з нами – це червоні карлики.

Художнє зображення Проксими b
Художнє зображення Проксими b. Один бік планети завжди залишається у тіні через припливне гравітаційне захоплення. Джерело: ESO/M. Kornmesser.

Але через близькість до нас, Проксима b зацікавила всіх настільки, що майже одразу після відкриття з’явилася купа статей, присвячених моделюванню клімату планети. Астрономи з Європейської південної обсерваторії, виходячи з густини планети, зробили припущення, що вона має щільні атмосферу та гідросферу.

Атмосфера та гідросфера проти припливного захоплення

Усе це дуже сильно підвищувало шанси на те, що Проксима b дійсно може підтримувати життя на своїй поверхні. Крім очевидної необхідності мати атмосферу та гідросферу для існування білкового життя, ці оболонки можуть відігравати роль накопичувача та перерозподільника теплової енергії. Це дуже важливо з огляду на те, що Проксима b отримує від своєї зорі тільки 70% тієї енергії, що її отримує Земля від Сонця, і може бути припливно захопленою.

Гравітаційне припливне захоплення
Припливно захоплена планета та її значно масивніший супутник. Джерело: Stephanie Hoover

Припливно захоплені планети – це планети, які обертаються навколо своєї вісі за той самий час, що і навколо зорі. Через це вони завжди повернуті до останньої одним боком. Так само, як Місяць повернутий до Землі. Через це на одному їхньому боці завжди спекотний полудень, а на іншому – полярна ніч.

На Проксимі b цей ефект у значній мірі може згладжуватися завдяки щільній атмосфері та океану. Однак лишається питання з зоряними спалахами.

Комп’ютерна модель коливання температур поверхні Проксими b. Джерело: ESO

Восени 2016 року, усього за два місяці після того, як Проксима b була відкрита, з’явилася стаття науковців із Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики, у якій вони досліджували багаторічну поведінку Проксими Центавра.

Спалахи на Проксимі Центавра

Як відомо, у Сонця існує 11-річний цикл активності, протягом якого на його поверхні виникають та еволюціонують плями. Ці плями є результатом того, що магнітні поля на поверхні зорі спрямовують потоки плазми таким чином, що утворюються більш холодні ділянки. Ці ділянки ми й спостерігаємо як темні плями. Неподалік від них, як правило, й відбуваються сонячні спалахи.

Сонячні плями
Дві великі плями на поверхні Сонця були зафіксовані 13-19 листопада 2010 року. Джерело: SDO/NASA

Дослідники встановили, що Проксими Центавра також має власний цикл, який триває сім років. Але плям на поверхні цього червоного карлика значно більше, по відношенню до його поверхні, ніж на Сонці.

Згідно з дослідженням, вони можуть вкривати до однієї п’ятої поверхні зорі. Внаслідок цього, спалахи на поверхні настільки сильні, що самі дослідники, які опублікували це дослідження, побоюються, що Проксима b насправді являє собою голий камінь з “місячною” поверхнею.

Два сценарії

Щоправда, песимізм щодо землеподібності Проксими b царював недовго. Вже у грудні того ж 2016 року астробіолог Дімітра Атрі опублікував у журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society роботу, яку присвятив моделюванню умов на поверхні Проксими b в умовах підвищеного ультрафіолетового випромінювання та потужного зоряного вітру. У якості вихідних параметрів він узяв виміряний рівень активності Проксими Центавра, вірогідні оцінки товщини атмосфери планети та можливий діапазон потужності магнітного поля планети.

Моделювання показало, що наявність рідкої води та потужної атмосфери важливі не лише в плані накопичення та перерозподілу тепла. Проксима b є значно масивнішою планетою, ніж Земля. У зв’язку із цим її магнітне поле та  атмосфера також можуть значно ефективніше захищати її від спалахів на домашній зорі. Згідно з моделлю Атрі, якщо для Проксими b справедливими є максимальні значення цих параметрів, то зоряний вітер не тільки не “здує” атмосферу, але й не завдасть шкоди біосфері.

Сонце та Проксима Центавра
Порівняння розмірів Сонця та Проксими Центавра. Джерело: ESO/G. Coleman/Science Ukraine

Нарешті, у квітні 2017 року вийшла стаття дослідників Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики. Загалом автори повторюють те, що встановив Атрі, однак їхнє дослідження містить більш точну картину того, наскільки сильним є тиск зоряного вітру на поверхню Проксими b.

Дослідники встановили, що зазвичай він у тисячу разів більший за той, що зазнає Земля від Сонця. Однак двічі за свій 11-денний період обертання планета зазнає різкого збільшення щільності зоряного вітру. У цей момент він стає у 10 000 разів потужнішим, ніж на Землі, навіть без урахування спалахів. Дослідники дійшли висновку, що атмосфера планети такі умови загалом витримує, але в ній виникають надзвукові потоки.

Атмосфери “водних світів”

Усі питання щодо того, наскільки стійкими є атмосфери екзопланет? стають значно цікавішими, коли мова заходить про океаніди, тобто планети, повністю вкриті океаном, товщиною у сотні кілометрів. І тут, знову ж таки, не можна не згадати про Проксиму b. Взагалі-то, ми не знаємо, якою є поверхня екзопланети. Однак в 2016 році дослідники припустили, що вона повністю вкрита водою, а над поверхнею океану простягається густа атмосфера, значно щільніша за земну.

Взагалі, згідно з сучасними уявленнями, чим важчою є землеподібна планета, тим більше вона схильна втримувати великі об’єми води та газу. Тож цілком можливо, що всі  “надземлі” є “водними світами”.

Kepler-22b
Інша відкрита екзопланета Кеплер-22b може бути подібною за розмірами до Нептуна надземлею, повністю вкритою океаном. Джерело: NASA

Восени 2017 року дослідники з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики більш ґрунтовно підійшли до проблеми атмосфер океанід. Вони проаналізували дані щодо 50 екзопланет, які потенційно можуть бути “водними світами”.

Моделювання включало “тест на міцність” в умовах жорсткого опромінювання та спалахів. І попри те, що гідросфера “водних світів” являє собою величезний резервуар для поповнення атмосфери парою, результат виявився достатньо невтішним. Згідно з оцінками дослідників, навіть “водний світ” в умовах, у яких знаходяться  потенційно землеподібні планети в системах червоних карликів, навіть за наявності глибокого океану, можуть цілком втратити власну атмосферу всього за мільярд років, що не дозволяє розраховувати на розвиток життя.

Екстремальні нові світи

Однак і на цьому битва між “оптимістами” та “песимістами” не закінчилася. У січні 2018 група дослідників із різних наукових інститутів США опублікувала роботу, у якій розглянула різні сценарії того, як планета, що опинилася в умовах потужного “зоряного вітру”, може уникнути втрати атмосфери. Для цього вони застосували модель, яка зветься Alfvén Wave Solar Model.

Ця модель раніше успішно застосовувалася до системи Земля-Сонце. Цього разу її застосували до багатопланетної системи TRAPPIST-1, точніше до планети g цієї системи. Цього разу моделювання було оптимістичним  і показало, що  якщо іоносфера планети простягається принаймні на 125 миль, то під нею цілком може існувати життя.

TRAPPIST-1 ЗОРЯНА СИСТЕМА
Художнє зображення зоряної системи TRAPPIST-1 з сімома планетами. Джерело: NASA

Усі ці довгі суперечки можуть видаватися безглуздими, але насправді вони важливі як з точки зору фундаментальної науки, так і з точки зору нашого погляду на власне майбутнє. З одного боку, саме питання про те, як зоря взаємодіє з власними планетами та які в планет є механізми “компенсації” несприятливих умов, є абсолютно новою галуззю науки. Досі ми жили в світі, де все складається ідеально для життя, і тепер дізналися про світи з геть іншими умовами.

З іншого боку, тема придатності до життя планет у системах червоних карликів становить неабиякий практичний інтерес. Як вже було сказано, 75% зір в околицях Сонця є непривітними тьмяними, але бурхливими зорями. І за статистикою, половина з них може мати землеподібні планети. А це означає, що більшість планет, до яких ми теоретично зможемо якщо не долетіти самі, то хоча б надіслати автоматичні зонди, обертаються саме в умовах сильних спалахів. І від того, наскільки стійкими виявляться  атмосфери цих світів залежить те, наскільки цікаво їх буде досліджувати в майбутньому.

Astrowatch.net, AFP; Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2016), doi: 10.1093/mnras/stw2570; Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters (2017), doi: 10.1093/mnrasl/slw199; C. Garraffo, J. J. Drake, and O. Cohen, ApJL 833, L4, 2016; The Astrophysical Journal (2017), doi: 10.3847/2041-8213/aa8a60; Proceedings of the National Academy of Sciences (2017), doi: 10.1073/pnas.1708010115.

Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Олександр Бурлака
  • 45 записів
  • 0 дописів
Олександр займається популяризацією науки, веде блоги та працює викладачем у Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка. Має ступінь кандидата технічних наук.