"Хотели бы вы немного льда со своей экзопланетой?" Для землеподобных миров это может быть непростой задачей

Экзопланеты переживают период бума. За три десятилетия с момента первой подтвержденной планеты, вращающейся вокруг другой звезды, ученые зарегистрировали более 4000 из них. По мере роста списка увеличивается и желание найти экзопланеты, похожие на Землю, и определить, могут ли они быть оазисами для поддержания жизни, как наш земной шар.

Об этом рассказывают в Вашингтонском институте (UW).

В ближайшие десятилетия должны быть запущены новые миссии, которые смогут собирать все большие объемы данных об экзопланетах. Предусматривая эти будущие усилия, команда UW и Бернского университета сделала вычислительные симуляции более 200 000 гипотетических землеподобных миров — планет, имеющих тот же размер, массу, состав атмосферы и географию, что и современная Земля, — все они находятся на орбите звезд, как наше Солнце. Их цель заключалась в том, чтобы смоделировать, какие типы сред могут ожидать астрономы на реальных землеподобных экзопланетах.

Как они сообщают в статье, принятой к публикации в Planetary Science Journal и представленной 6 декабря на сайте препринтов arXiv, на этих симулированных экзопланетах часто не хватало одной общей черты современной Земли: частичного покрытия льдом.

«Мы, в сущности, смоделировали климат Земли на мирах вокруг разных типов звезд, и мы обнаружили, что в 90% случаев с жидкой водой на поверхности нет ледовых покровов, таких как полярные шапки», — сказал соавтор Рори Барнс, профессор астрономии и научный сотрудник Виртуальной планетарной лаборатории UW. «Когда лед присутствует, мы видим, что ледяные пояса – постоянный лед вдоль экватора – действительно более вероятны, чем ледовые шапки».

Результаты проливают свет на сложное взаимодействие между жидкой водой и льдом на землеподобных мирах, сказала ведущий автор Кейтлин Вильгельм, руководившая исследованием, когда была студенткой бакалавриата кафедры астрономии UW.

«Посмотрев на ледяной покров на землеподобной планете можно многое сказать о том, пригодна ли она для жизни», – сказал Вильгельм, который сейчас является научным сотрудником Виртуальной планетарной лаборатории. «Мы хотели понять все параметры – форму орбиты, осевой наклон, тип звезды – которые влияют на наличие льда на поверхности, и если да, то где».

Композиционное изображение ледяной шапки, покрывающей арктический регион Земли, включая Северный полюс, сделанное на высоте 824 км над нашей планетой 12 апреля 2018 года полярно-орбитальным спутником NOAA-20. Credit: NOAA

Команда использовала одномерную модель энергетического баланса, которая вычислительно имитирует поток энергии между экватором и полюсами планеты для симулирования климата на тысячах гипотетических экзопланет в различных орбитальных конфигурациях вокруг звезд F-, G- или K-типа. Эти классы звезд, включающие наше собственное солнце G-типа, являются перспективными кандидатами для размещения дружественных для жизни миров в своих жилых зонах, также известных как зоны «Златовласки». Звезды F-типа немного горячее и больше нашего Солнца; звезды типа К немного холоднее и меньше.

В их симуляциях орбиты экзопланет варьировались от круглых до четко выраженных овальных. Команда также учла осевой наклон от 0 до 90 градусов. Наклон оси Земли составляет умеренные 23,5 градуса. Планета с наклоном на 90 градусов "сидела бы на боку" и испытывала экстремальные сезонные колебания климата, равно как планета Уран.

Согласно результатам симуляций, охватывавших период времени в 1 миллион лет для каждого мира, землеподобные миры демонстрировали климат, варьирующийся от климата "снежки" — со льдом, присутствующим на всех широтах — до климата "влажного парника", который, вероятно, похож на климат Венеры до того, как парниковый эффект зделал ее поверхность горячей настолько, чтобы расплавить свинец. Но несмотря на то, что большинство сред в симуляциях находились где-то между этими крайностями, частичный поверхностный лед присутствовал только на примерно 10% гипотетических, жизнеспособных экзопланетах.

Модель включала в себя естественные изменения со временем в осевом наклоне и орбите каждого мира, что частично объясняет общее отсутствие льда на жизнепригодных экзопланетах, сказал соавтор Рассел Дейтрик, постдокторант в Бернском университете и научный сотрудник Виртуальной планетарной лаборатории.

«Орбиты и осевой наклон постоянно меняются», - говорит Дейтрик. «На Земле эти вариации называют циклами Миланковича и имеют очень малую амплитуду. Но для экзопланет эти изменения могут быть достаточно велики, что может полностью ликвидировать лед или вызвать состояние "снежки"».

Когда присутствовал частичный лед, его распределение изменялось в зависимости от звезды. Вокруг звезд F-типа полярные ледяные шапки – вроде того, чем сейчас занимается Земля – встречались примерно в три раза чаще, чем ледяные пояса, тогда как для планет вокруг звезд G- и K-типов ледяные пояса встречались вдвое чаще, чем шапки. По словам Вильгельма, ледяные пояса также были распространены в мирах с экстремальными осевыми наклонностями, вероятно потому, что сезонные экстремальные условия оставляют полярный климат более изменчивым, чем в экваториальных регионах.

Древняя Земля в состоянии снежки в воображении художника. Credit: NASA

Выводы команды о льде в этих симулированных землеподобных мирах должны помочь в поиске потенциально жизнепригодных миров, показывая астрономам, что они могут ожидать, особенно насчет распределения льда и типов климата.

«Поверхностный лед обладает большой отражательной способностью и может определять, как экзопланета "выглядит" через наши приборы», - говорит Вильгельм. «Присутствие льда или его отсутствие также может повлиять на то, как климат изменится в долгосрочной перспективе, достигнет ли он экстремальных значений — например, "Земля-снежок" или парник, — или что-то более умеренное».

Однако сам лед или его отсутствие не определяет жизнепригодность.

«Жизнепригодность охватывает многие движущиеся части, а не только наличие или отсутствие льда», – сказал Вильгельм.

По словам Барнса, жизнь на Земле пережила периоды снежки, а также сотни миллионов лет без льда.

«Наша планета видела некоторые из этих экстремальных условий в своей истории», - говорит Барнс. «Мы надеемся, что это исследование закладывает основу для будущих миссий по поиску подходящих для жизни признаков в атмосферах экзопланет, а также для непосредственной визуализации экзопланет, показывая, что является возможным, что является распространенным, а что редким».

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.