"Чи хотіли б ви трохи льоду зі своєю екзопланетою?" Для землеподібних світів це може бути непростим завданням

Екзопланети переживають період буму. За три десятиліття з моменту першої підтвердженої планети, що обертається навколо іншої зірки, вчені зареєстрували понад 4000 з них. У міру зростання списку, збільшується й бажання знайти екзопланети, схожі на Землю, та визначити, чи можуть вони бути оазисами для підтримки життя, як наша земна куля.

Про це розповідають у Вашингтонському університеті (UW).

У найближчі десятиліття повинні бути запущені нові місії, які зможуть збирати все більші обсяги даних про екзопланети. Передбачаючи ці майбутні зусилля, команда UW та Бернського університету зробила обчислювальні симуляції понад 200 000 гіпотетичних землеподібних світів— планет, які мають той самий розмір, масу, склад атмосфери та географію, що й сучасна Земля, — усі вони знаходяться на орбіті зірок, як наше Сонце. Їхня мета полягала в тому, щоб змоделювати, які типи середовища можуть очікувати знайти астрономи на реальних землеподібних екзопланетах.

Як вони повідомляють у статті, прийнятій до публікації у "Planetary Science Journal" і представленій 6 грудня на сайті препринтів arXiv, на цих симульованих екзопланетах часто бракувало однієї спільної риси сучасної Землі: часткового покриття льодом.

«Ми, по суті, змоделювали клімат Землі на світах навколо різних типів зірок, і ми виявили, що у 90% випадків з рідкою водою на поверхні немає льодових покривів, таких як полярні шапки», — сказав співавтор Рорі Барнс, професор астрономії та науковий співробітник Віртуальної планетарної лабораторії UW. «Коли лід присутній, ми бачимо, що крижані пояси — постійний лід вздовж екватора — насправді більш імовірні, ніж льодові шапки».

Результати проливають світло на складну взаємодію між рідкою водою та льодом на землеподібних світах, сказала провідна авторка Кейтлін Вільгельм, яка керувала дослідженням, коли була студенткою бакалаврату кафедри астрономії UW.

«Подивившись на крижаний покрив на землеподібній планеті можна багато чого сказати про те, чи є вона придатною для життя», – сказав Вільгельм, який зараз є науковим співробітником Віртуальної планетарної лабораторії. «Ми хотіли зрозуміти всі параметри — форму орбіти, осьовий нахил, тип зірки — які впливають на наявність льоду на поверхні, і якщо так, то де».

Композиційне зображення крижаної шапки, що покриває арктичний регіон Землі, включаючи Північний полюс, зроблене на висоті 824 км над нашою планетою 12 квітня 2018 року полярно-орбітальним супутником NOAA-20. Credit: NOAA

Команда використала одновимірну модель енергетичного балансу, яка обчислювально імітує потік енергії між екватором і полюсами планети для симулювання клімату на тисячах гіпотетичних екзопланетах у різних орбітальних конфігураціях навколо зірок F-, G- або K-типу. Ці класи зірок, які включають наше власне сонце G-типу, є перспективними кандидатами для розміщення дружніх для життя світів у своїх жилих зонах, також відомих як зони «Золотоволоски». Зірки F-типу трохи гарячіші й більші за наше Сонце; зорі типу К трохи холодніші та менші.

В їхніх симуляціях орбіти екзопланет варіювалися від круглих до чітко виражених овальних. Команда також врахувала осьовий нахил від 0 до 90 градусів. Нахил осі Землі становить помірні 23,5 градуси. Планета з нахилом на 90 градусів "сиділа б на боці" і зазнавала екстремальні сезонні коливання клімату, так само як планета Уран.

Згідно з результатами симуляцій, які охоплювали період час в 1 мільйон років для кожного світу, землеподібні світи демонстрували клімат, що варіюється від клімату "сніжки" — з льодом, присутнім на всіх широтах — до клімату "волого парника", який ймовірно, схожий на клімат Венери до того, як парниковий ефект зробив її поверхню гарячою настільки, щоб розплавити свинець. Але попри те, що більшість середовищ у симуляціях знаходилися десь між цими крайнощами, частковий поверхневий лід був присутній лише на приблизно 10% гіпотетичних, життєпридатних екзопланетах.

Модель включала природні зміни з часом в осьовому нахилі та орбіті кожного світу, що частково пояснює загальну відсутність льоду на життєпридатних екзопланетах, сказав співавтор Рассел Дейтрік, постдокторант у Бернському університеті та науковий співробітник Віртуальної планетарної лабораторії.

«Орбіти та осьовий нахил постійно змінюються», — каже Дейтрік. «На Землі ці варіації називають циклами Міланковича та мають дуже малу амплітуду. Але для екзопланет ці зміни можуть бути досить великими, що може повністю ліквідувати лід або викликати стан "сніжки"».

Коли був присутній частковий лід, його розподіл змінювався залежно від зірки. Навколо зірок F-типу полярні крижані шапки — на кшталт того, чим зараз займається Земля — зустрічалися приблизно в три рази частіше, ніж крижані пояси, тоді як для планет навколо зірок G- та K-типів льодяні пояси траплялися вдвічі частіше, ніж шапки. За словами Вільгельма, льодяні пояси також були поширенішими у світах з екстремальними осьовими нахилами, ймовірно тому, що сезонні екстремальні умови залишають полярний клімат більш мінливим, ніж в екваторіальних регіонах.

Стародавня Земля в стані сніжки в уяві художника. Credit: NASA

Висновки команди щодо льоду у цих симульованих землеподібних світах мають допомогти у пошуку потенційно життєпридатних світів, показуючи астрономам, що вони можуть очікувати знайти, особливо щодо розподілу льоду та типів клімату.

«Поверхневий лід має велику відбивну здатність і може визначати те, як екзопланета "виглядає" через наші прилади», - каже Вільгельм. «Присутність льоду чи його відсутність також може вплинути на те, як клімат зміниться в довгостроковій перспективі, чи він досягне екстремальних значень — наприклад, "Земля-сніжка" чи парник, — або щось більш помірне».

Однак сам лід або його відсутність не визначає життєпридатність.

«Життєпридатність охоплює багато рухомих частин, а не лише наявність чи відсутність льоду», – сказав Вільгельм.

За словами Барнса, життя на Землі пережило періоди сніжки, а також сотні мільйонів років без льоду.

«Наша планета бачила деякі з цих екстремальних умов у своїй історії», — каже Барнс. «Ми сподіваємося, що це дослідження закладає основу для майбутніх місій з пошуку придатних для життя ознак в атмосферах екзопланет, і навіть для безпосередньої візуалізації екзопланет, показуючи, що є можливим, що є поширеним, а що рідкісним».

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.