Модель разрешила небольшие океаны на спутниках планет-сирот

Avila et al. / International Journal of Astrobiology, 2021

Ученые смоделировали условия на поверхности спутника массивной планеты, которая покинула родную звездную систему и стала планетой-сиротой. Они учли массу тел, их орбиту, химический состав и химическую эволюцию на протяжении десяти миллионов лет. Расчет показал, что при соблюдении ряда условий на спутнике может образовываться значительное количество жидкой воды, хоть и гораздо меньше, чем на Земле. Статья опубликована в журнале International Journal of Astrobiology.

В ходе существования планеты могут менять орбиту. В основном, это происходит от взаимодействия с другими массивными телами, планетами или звездами-компаньонами материнской звезды. Например, подобный сценарий хорошо объясняет необычный химический состав Марса: некоторые ученые предполагают, что он сформировался в зоне главного пояса астероидов, и лишь затем под действием гравитации Юпитера сместился на современную орбиту. При более сильном взаимодействии орбита может перестать быть замкнутой, и планета улетит из звездной системы в космическое пространство, став планетой-сиротой.

На первый взгляд может показаться, что условия на такой планете или ее спутниках будут максимально далекими от земных, поскольку лишенное звезды тело обречено замерзнуть. На самом деле, это не всегда так, как минимум для спутников этих планет. Исследования спутников Юпитера и Сатурна показали, что Солнце для них — далеко не единственный источник тепла. Спутники планет-гигантов разогреваются изнутри за счет трения от приливной деформации, происходящей при вращении по орбите. Дополнительный вклад в это тепло вносит распад радиоактивных элементов, которые находятся в недрах ядра. В результате внутри Европы, Энцелада и ряда других спутников существует подледный океан, причем из Энцелада регулярно бьют гигантские гейзеры. Подробно о морях Солнечной системы мы рассказывали в материале «Море внутри».

Группа ученых под руководством Патрисио Авила (Patricio Ávila) из Университета Консепсьона провела моделирование и выяснила, при каких условиях спутник планеты-сироты может обладать жидкой водой на поверхности. В первую очередь, для того, чтобы система планеты и спутника была стабильной, планета должна обладать большой массой. Для сильного приливного разогрева спутник должен иметь вытянутую орбиту и, опять же, вращаться вокруг массивного тела. Поэтому для моделирования выбрали планету массой с Юпитер, вокруг которой вращается спутник земной массы по эллиптической орбите с эксцентриситетом от 0,001 до 0,5.

Далее, для сохранения тепла необходим парниковый эффект. Для расчета необходимого уровня непрозрачности исследователи использовали алгоритм Patmo, который позволяет рассчитывать взаимодействие атмосферы с электромагнитным излучением на протяжении прямого отрезка, учитывая при этом множество факторов, включая проходящие в газе фотохимические реакции. Наконец, для образования воды требуется определенный химический состав небесного тела. Во всех рассмотренных сценариях ученые исходили из того, что атмосфера спутника на 90 процентов состоит из углекислого газа и на 10 — из водорода. Основным драйвером химических реакций для такой атмосферы станут космические лучи, которые будут разлагать CO2 на CO + O. Затем высвободившийся кислород будет связываться с водородом и образовывать воду, но, в то же время, вода под действием космических лучей будет разлагаться на OH + H. Для расчета химической эволюции атмосферы спутника и вычисления точек равновесия разных химических реакций исследователи использовали симулятор Stand.

Расчеты показали, что вода образуется как при сравнительной низком атмосферном давлении, так и при значительно более высоком, около 10 бар. Различия же в интенсивности космического излучения практически не играют роли в долгосрочной перспективе. В сценарии с низким давлением за 10 миллионов лет воды образуется немного: сто тысяч миллиардов тонн, что в десятки тысяч раз меньше гидросферы Земли. В сценарии высокого давления воды образуется примерно в 13 раз больше. По мнению ученых, такое небесное тело можно считать вполне жизнепригодным — хуже, чем Земля, но лучше, чем Марс. Однако орбита спутника будет постепенно скругляться, и за десять миллионов лет перестанет обеспечивать приливный разогрев, достаточный для поддержания температуры поверхности выше точки таяния воды. Растянуть этот срок позволит лишь наличие других лун, которые вращаются в резонансе с исследуемым спутником.

Вода — распространенное вещество во Вселенной. В том числе ее много и на полюсах Луны, хотя появилась она там иными путями, нежели на Земле или гипотетическом спутнике планеты-сироты. Ожидается, что в ближайшем будущем американский ровер пробурит скажину для ее добычи на южном лунном полюсе.

Василий Зайцев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.