Обитаемость планет определяется совокупностью многих факторов. До сих пор наши исследования потенциально обитаемых миров за пределами Солнечной системы были сосредоточены исключительно на их положении в «зоне Златовласки» Солнечной системы, где температура определяет возможность существования жидкой воды на их поверхности, а в последнее время — и на составе их атмосфер. Отчасти это связано с техническими ограничениями доступных нам инструментов — даже мощный космический телескоп имени Джеймса Уэбба способен видеть только атмосферы очень крупных планет поблизости. Но в ближайшие десятилетия у нас появятся новые инструменты, такие как Обсерватория обитаемых миров (Habitable Worlds Observatory), которые будут более специализированы для поиска потенциально обитаемых миров. Так что же нам следует использовать для их поиска? В новой статье Бенджамина Фарси из Мэрилендского университета и его коллег, доступной в виде препринта на arXiv, утверждается, что для оценки вероятности существования жизни на планете необходимо изучать её формирование.
Если говорить точнее, HWO не сможет заглянуть в прошлое — по крайней мере, не больше, чем это было бы возможно, учитывая расстояние, которое должен преодолеть свет от этих миров, чтобы добраться до нас. Однако он может получить представление о том, как сформировалась планета, основываясь на современных измеряемых величинах. Доктор Фарси и его соавторы описывают четыре различных аспекта планеты, которые определяются на ранних этапах её формирования и оказывают существенное влияние на её способность в будущем стать средой обитания сложной жизни.
Первая важная тема — это общий состав, состоящий в основном из четырёх основных элементов, составляющих 93% планет земной группы. Это магний, железо, кремний и кислород. В конечном счёте, соотношение этих элементов определяет наличие на планете тектоники плит, необходимой для поддержания относительно стабильной среды на протяжении миллионов лет. Удобно также, что можно определить соотношение этих элементов в планете, посмотрев на соотношение в звезде, где вращается планета — оно должно быть эквивалентным, поскольку обе планеты образовались из одного и того же доступного вещества.
Вторым фактором является обилие летучих веществ. В процессе формирования планет летучими считаются любые элементы с относительно низкой температурой конденсации, при которой не менее 50% элемента превращается в газ. В газообразном состоянии они гораздо легче уносятся солнечным ветром, поэтому на таких планетах, как Меркурий, образовавшийся в очень жарком регионе Солнечной системы, летучих веществ мало, в то время как на Марсе, сформировавшемся дальше, их полно. Поскольку летучие вещества, такие как углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера (CHNOPS), являются ключевыми компонентами жизни, их наличие на планете является критически важным фактором, определяющим её развитие.
Однако есть ещё один важный фактор в формировании планет, который оказывает существенное влияние на их обитаемость. Он обусловлен одним конкретным летучим веществом — кислородом. Доступность кислорода на ранней стадии развития планеты определяет величину, называемую летучестью кислорода. Она играет решающую роль в третьем факторе — размере ядра планеты.
Баланс между чистым железом и оксидом железа (ржавчиной) критически важен для формирования ядра ранней планеты. Чистое железо, как правило, опускается к ядру, увеличивая его в размерах, в то время как оксид железа попадает в мантию, уменьшая его размер. Ядро — один из важнейших факторов обитаемости, поскольку оно контролирует одну из важнейших защитных функций планеты — её магнитное поле. Большое ядро создаёт сильное магнитное поле, защищающее элементы и потенциальные формы жизни на поверхности планеты от солнечного излучения, тогда как небольшое ядро может создавать слабое поле, позволяя солнечному ветру уносить множество полезных элементов, а радиации — уничтожать планетарный ландшафт.
Последние два фактора создают новый тип зоны Златовласки, в котором планета должна иметь достаточно малое количество летучих веществ (в частности, кислорода) для развития большого металлического ядра и, следовательно, геодинамо, но также достаточно летучих веществ для того, чтобы иметь возможность развить жизнь после того, как планета стабилизируется. Слишком мало летучих веществ, и планета в конечном итоге станет как Меркурий, чье ядро занимает 85% ее размера и создает сильное магнитное поле, но является бесплодной пустыней. Слишком много летучих веществ, и она в конечном итоге станет как Марс, у которого изобилие летучих веществ, но такое маленькое ядро, что его магнитное поле не защищало его поверхность миллиарды лет, позволяя ему также стать бесплодной пустыней. Земля, в этом сценарии, имеет как раз нужное количество летучих веществ, что позволяет ей иметь сильное защитное магнитное поле, а также иметь достаточно остаточных летучих веществ для развития и поддержания жизни в течение миллиардов лет.
Последним фактором, определяющим пригодность планеты для жизни на ранних этапах её жизненного цикла, является её «тепловой двигатель». Это происходит двумя способами: либо за счёт радиоактивных элементов в ядре планеты, либо, как в случае некоторых лун в нашей Солнечной системе, за счёт приливного нагрева, который достаточно сильно сгибает планету, чтобы разогреть её недра. Три основных элемента вызывают радиоактивный нагрев мантии — калий, торий и уран, и, к счастью, содержание двух из этих трёх элементов легко определить с помощью спектрографа звезды-хозяина. Третий элемент, уран, отследить непросто, но у него есть эквивалент в виде европия, который астрономы используют в качестве косвенного показателя содержания урана.
HWO должен быть в состоянии увидеть три фактора, которые помогут нам понять ранний цикл развития экзопланет, которые он изучает. Он сможет найти спектральную сигнатуру звезды, что помогает понять наличие летучих веществ и радиоактивных элементов. Он может обнаружить наличие магнитного поля, используя метод, называемый спектрополяриметрией, который наблюдает, как световые волны искривляются этим магнитным полем. И он будет следить за «вулканическим дыханием» в атмосфере (в основном диоксидом серы и сероводородом), которое указывает на наличие активных вулканов и, следовательно, тектоники плит на поверхности планеты. Сочетание этих факторов, в большей степени, чем просто поиск местоположения планеты по отношению к «зоне Златовласки» ее звезды, является гораздо более всесторонним способом рассмотреть ее потенциальную обитаемость.
К сожалению, это означает, что нам придётся ждать до 2040-х годов, чтобы получить полное представление об истории этих планет. Запуск HWO запланирован на это время, хотя, если судить по прошлым Великим обсерваториям, эти сроки могут быть оптимистичными. По мере того, как будет проделана большая работа над тем, что именно он должен искать, разработчикам и инженерам миссии, работающим над ней, будет чем заняться, чтобы определить, на что нам следует обратить внимание в нашем лучшем будущем охотнике за планетами.
Источники:
Статья создана по материалам https://www.universetoday.com/articles/why-being-in-the-right-place-isnt-enough-for-life
