Поиск жизни за пределами Солнечной системы остаётся одной из главных задач современной астрономии. За последние десятилетия учёные обнаружили тысячи экзопланет, однако лишь небольшая часть из них может обладать условиями, подходящими для существования жизни. Теперь исследователи представили новую модель, которая помогает гораздо точнее определить, какие миры способны сохранять атмосферу на протяжении миллиардов лет.
Работа посвящена одному из важнейших факторов планетной обитаемости — способности удерживать атмосферу. Именно атмосфера защищает поверхность от космической радиации, помогает сохранять тепло, участвует в климатических процессах и создаёт условия для существования жидкой воды. Без неё даже планета, находящаяся на идеальном расстоянии от своей звезды, может оказаться полностью непригодной для жизни.
Новая модель позволила определить минимальные размеры каменистых планет, которые способны сохранять атмосферу в течение длительного времени. Полученные результаты могут существенно изменить подход к поиску потенциально обитаемых миров и помочь будущим космическим миссиям сосредоточиться на наиболее перспективных объектах.
Почему атмосфера играет решающую роль
Когда речь заходит о поиске жизни во Вселенной, внимание обычно сосредоточено на так называемой зоне обитаемости — области вокруг звезды, где температура позволяет существовать жидкой воде.
Однако одного только правильного расстояния до звезды недостаточно.
Планета должна обладать атмосферой, способной поддерживать стабильные условия на поверхности. Атмосфера выполняет сразу несколько жизненно важных функций. Она регулирует температуру, участвует в круговороте веществ, защищает поверхность от ультрафиолетового излучения и космических частиц, а также предотвращает быструю потерю воды в космос.
Без атмосферного покрова планета превращается в суровый мир с экстремальными температурными перепадами, как это произошло с Меркурием или в значительной степени с Марсом.
Одной массы недостаточно
Долгое время считалось, что ключевым фактором сохранения атмосферы является масса планеты. Чем массивнее объект, тем сильнее его гравитация и тем труднее газам покинуть атмосферу.
Однако новое исследование показывает, что реальная картина намного сложнее.
На способность удерживать атмосферу влияют внутреннее строение планеты, её химический состав, содержание углерода, активность недр, количество радиоактивных элементов и даже особенности формирования в ранней истории системы.
Фактически атмосфера представляет собой результат сложного взаимодействия множества процессов, происходящих как внутри планеты, так и за её пределами.
Поиск нижнего предела обитаемости
Для решения этой задачи исследователи разработали специальную компьютерную модель, которая получила название Smaller Than Earth Habitability Model, или STEHM.
Она позволяет моделировать эволюцию планет различных размеров на протяжении миллиардов лет.
Учёные создали несколько типов каменистых миров — от объектов размером примерно в половину Земли до планет, сопоставимых с нашей по диаметру. Затем специалисты проследили, насколько эффективно такие миры способны формировать и сохранять атмосферу в течение космических временных масштабов.
Неожиданный результат
Одним из главных выводов исследования стало обнаружение важного порогового значения.
Согласно расчётам, каменистые планеты, чей радиус составляет не менее примерно 80% радиуса Земли, способны удерживать атмосферу в течение десяти миллиардов лет и более при благоприятных условиях.
Более мелкие миры сталкиваются с серьёзными трудностями.
Планеты размером около 70% земного радиуса ещё могут сохранять атмосферу в отдельных случаях, однако их шансы значительно ниже.
Если же размеры становятся ещё меньше, атмосфера обычно исчезает относительно быстро по астрономическим меркам — в течение первого миллиарда лет существования планеты.
Почему маленькие планеты проигрывают
Главная проблема небольших миров заключается не только в более слабой гравитации.
Не менее важную роль играет их внутренняя эволюция.
Маленькие планеты быстрее остывают. По мере охлаждения их недра теряют способность поддерживать активный вулканизм.
На первый взгляд вулканы кажутся угрозой для жизни, однако в масштабах планеты они выполняют крайне важную функцию.
Именно вулканическая деятельность возвращает в атмосферу углекислый газ и другие вещества, необходимые для поддержания климатической стабильности.
Когда вулканизм прекращается, атмосфера постепенно истощается и перестаёт восполняться. Со временем это может привести к её практически полному исчезновению.
Углерод как один из ключевых факторов
Модель показала, что огромное значение имеет первоначальное содержание углерода в планете.
Во время формирования планет количество углерода может существенно различаться в зависимости от особенностей протопланетного диска вокруг молодой звезды.
Если планета получила достаточные запасы углерода, она способна дольше поддерживать атмосферу благодаря выделению углекислого газа из недр.
Кроме того, углекислый газ помогает удерживать тепло и стабилизировать климатические условия.
Поэтому два мира одинакового размера могут иметь совершенно разную судьбу только из-за различий в химическом составе.
Важность внутренних источников тепла
Ещё одним важным фактором оказались радиоактивные элементы внутри планеты.
Такие элементы постепенно распадаются, выделяя тепло.
Именно это тепло поддерживает активность недр в течение миллиардов лет.
Если подобных элементов достаточно, планета дольше сохраняет геологическую активность и способность пополнять атмосферу.
Когда внутренние источники энергии иссякают, недра охлаждаются, вулканизм прекращается, а атмосфера начинает деградировать значительно быстрее.
Уроки Марса и Венеры
Для проверки модели исследователи использовали реальные данные о ближайших соседях Земли.
Особый интерес представляли Венера и Марс, которые демонстрируют два противоположных сценария атмосферной эволюции.
Венера обладает чрезвычайно плотной атмосферой, которая сохраняется до сих пор.
Марс, напротив, имеет очень разрежённую атмосферу по сравнению с прошлым.
Модель успешно воспроизвела оба варианта развития, что стало важным подтверждением её надёжности.
Особенно показателен пример Марса. Расчёты показали, что даже при наиболее благоприятных исходных условиях небольшие размеры планеты существенно ограничивали её способность долго сохранять плотную атмосферу.
Почему это важно для будущих телескопов
Сегодня астрономы открывают новые экзопланеты значительно быстрее, чем могут их подробно изучать.
В распоряжении исследователей уже находятся тысячи кандидатов, и количество таких объектов постоянно растёт.
В ближайшие годы европейская миссия PLATO и другие космические проекты обнаружат ещё больше потенциально интересных миров.
Проблема заключается в том, что ресурсы крупнейших телескопов ограничены.
Каждое наблюдение требует времени, поэтому учёным необходимо заранее определять наиболее перспективные цели.
Новая модель может стать своеобразным фильтром, позволяющим исключать планеты, которые слишком малы для долговременного сохранения атмосферы.
Атмосфера как главный источник информации о жизни
На сегодняшний день астрономы не располагают технологиями, позволяющими отправлять зонды к экзопланетам.
Даже ближайшие из них находятся на расстоянии многих световых лет.
Поэтому поиск жизни ведётся дистанционно.
Главным источником информации становятся атмосферы планет. Именно в них потенциально можно обнаружить химические признаки биологических процессов.
Если атмосферы нет, возможности поиска жизни резко сокращаются.
Поэтому понимание того, какие миры способны сохранять атмосферный покров в течение миллиардов лет, становится одной из важнейших задач современной астробиологии.
Новый этап в поиске второй Земли
Исследование показывает, что понятие обитаемости значительно сложнее, чем просто нахождение планеты в правильной зоне вокруг звезды. Размер мира, его внутреннее строение, геологическая активность и химический состав оказываются не менее важными факторами.
Полученные результаты позволяют существенно сузить круг кандидатов на роль потенциально обитаемых миров. Теперь учёные могут более точно оценивать вероятность того, что обнаруженная экзопланета сохраняла атмосферу достаточно долго для возникновения и развития жизни.
По мере открытия новых планет такие модели будут становиться всё более важным инструментом астрономии. Они помогают приблизиться к одной из главных целей современной науки — ответу на вопрос, является ли Земля уникальным исключением или во Вселенной существует множество других миров, способных поддерживать жизнь.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
