Жидкая вода продержалась миллиарды лет симуляций на твердых планетах с водород-гелиевыми атмосферами

Физики промоделировали эволюцию условий на твердых планетах около- и сверхземной массы с водород-гелиевыми атмосферами и проследили за тем, как долго на их поверхности может существовать жидкая вода. Оказалось, что на расстояниях свыше двух астрономических единиц от звезды типа Солнца и при массе газовой оболочки в 10–1000 атмосфер Земли эта продолжительность может превышать пять миллиардов лет. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Один из общепринятых пунктов проверки экзопланет на пригодность для жизни — условия, при которых на их поверхности может находиться жидкая вода. Для этого планетам не обязательно иметь атмосферу, подобную земной, в которой парниковый эффект поддерживается углеродо- и кислородосодержащими газами. При достаточно высоких давлениях (то есть в массивной атмосфере) планета может нагреваться и за счет первичной водород-гелиевой атмосферы, захваченной из протопланетного диска. В роли парникового газа выступает молекулярный водород. Его молекулы при высоком давлении часто сталкиваются друг с другом, из-за чего получают дипольный момент и хорошо поглощают инфракрасное излучение с поверхности планеты, не давая последней остывать.

Недавние исследования показали, что диапазон пригодных для жидкой воды температур (а значит и зона обитаемости) для массивных планет (порядка 1–10 масс Земли) с такими атмосферами заметно шире, чем для планет, похожих на Землю. Это делает такие массивные экзопланеты интересными в контексте поиска внеземной жизни.

Тем не менее, для потенциальной обитаемости важен не только факт условий, подходящих для жидкой воды. Важную роль играет слабо изученная на сегодняшний день продолжительность таких условий во времени. На Земле от зарождения жизни до появления цивилизации прошло около четырех миллиардов лет — если комфортные условия будут прерываться на гораздо меньшем масштабе времени, это может всякий раз приводить к гибели возникающей жизни.

Физики из Швейцарии под руководством Марит Мол Лус (Marit Mol Lous) из Бернского университета промоделировали эволюцию условий на массивных твердых планетах без льда с водород-гелиевыми атмосферами в зависимости от массы планет и их атмосфер, а также величины больших полуосей орбит вокруг звезды типа Солнца. В ходе восьми миллиардов лет внутреннего времени симуляции ученые отслеживали максимальную длительность, в течение которой на планете непрерывно сохранялись условия (давление и температура), при которых вода на поверхности остается жидкой.

Для фиксированной массы планеты (1–10 масс Земли) исследователи варьировали массу атмосфер в диапазоне 10^–6—10^–1.8 масс Земли (нижняя граница примерно соответствует массе земной атмосферы), а величину большой полуоси орбиты — в диапазоне 1–100 астрономических единиц (расстояний от Земли до Солнца). Водород-гелиевые оболочки авторы принимали сферически симметричными, газ в них — находящимся в гидростатическом равновесии. Кроме того, физики моделировали эффект фотоиспарения (ионизации и рассеивания) атмосферы под действием излучения звезды.

Помимо нагрева со стороны звезды, ученые учитывали собственную активность планеты с помощью более ранних симуляций планетообразования (интерполируя зависимость от массы твердого вещества и атмосферы) и данных о радиоактивности в недрах Земли (умножая земное энерговыделение на отношение массы планеты к массе Земли).

Оказалось, что в такой модели жидкая вода может миллиарды лет оставаться на планетах, которые расположены на расстояниях свыше двух астрономических единиц от звезды — при условии, что атмосфера будет достаточно массивной — хотя бы на порядок массивнее земной. Атмосферное давление на поверхности смоделированных планет достигает 100–1000 бар (как на дне земного океана) — это пригодно для земной жизни, формы которой могут существовать по меньшей мере при давлении порядка 500 бар. При этом планетам с меньшими массами газовых оболочек требуется сравнительно меньше времени, чтобы достичь пригодных для жидкой воды условий.

Авторы сообщают, что жесткое ограничение на минимальное расстояние до звезды связано именно с фотоиспарением — первичная водород-гелиевая атмосфера планеты быстро рассеивается при сближении со звездой. Помимо этого, исследователи отмечают, что допустимая область параметров планет в разы сужается (но не исчезает), если дополнительно потребовать температуру в диапазоне 270–400 градусов Кельвина (приближенный коридор, в котором могут существовать известные формы жизни на Земле).

Физики подчеркивают, что для более прозрачных выводов требуется детализация модели и включение в нее новых эффектов, а также большее количество наблюдательных данных.

Ранее мы писали о том, как выяснилось, что обитаемая зона двойных звезд способна растягиваться, и о том, как астрономы составили список потенциально обитаемых экзолун.

Николай Мартыненко