Планетологи разрешили Европе временно сохранить поверхностный океан при расширении Солнца

Планетологи провели численное моделирование эволюции ледяного спутника Юпитера Европы при его попадании в обитаемую зону Солнца на стадии красного гиганта. Оказалось, что, по крайней мере, 0,2 миллиарда лет Европа сможет удерживать вторичную атмосферу из водяного пара, а площадь сублимируемой ледяной поверхности будет увеличиваться от экваториальных зон до обоих полушарий. Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.

Большая часть известных на сегодня экзопланет обращается вокруг звезд, которые в финале жизни станут белыми карликами, а многие из них пройдут перед этим фазу красного гиганта — подобная судьба ждет и наше Солнце. Кроме того, к настоящему моменту обнаружено несколько кандидатов в экзопланеты, обращающихся вокруг белых карликов, а также следы аккрециированного на карлики планетного вещества. Таким образом, определение механизмов эволюции планет у красных гигантов и белых карликов важно не только для экзопланетологии, но и для понимания будущего Солнечной системы.

Одна из интересных проблем в этой области исследований касается потенциальной обитаемости планет у проэволюционировавших звезд. Есть свидетельства, что землеподобные экзопланеты способны пережить расширение звезды в красного гиганта, однако неясно, как при этом изменится поверхность планеты. Более вероятно выживание внешних газовых гигантов в системе, которые способны обладать крупными спутниками. С этой точки зрения интересна судьба Юпитера и его ледяного спутника Европы. Планета может находиться в обитаемой зоне Солнца в виде красного гиганта примерно 0,37 миллиарда лет, после чего мигрирует на более широкую орбиту, а лед на поверхности Европы под действием излучения красного гиганта будет сублимировать, создавая временную атмосферу, которая будет активно теряться из-за малой гравитации спутника.

Элайджа Малленс (Elijah Mullens) и его коллеги из Корнелльского университета построили двумерные модели возможной эволюции Европы в период нахождения в обитаемой зоне Солнца как красного гиганта. Исследователи рассмотрели два случая: начальное таяние поверхностного льда, когда система Юпитера впервые оказывается в обитаемой зоне и получает поток излучения на уровне 0,32 от потока, получаемого Землей от современного Солнца, и эволюция вторичной европеанской атмосферы, когда спутник получает поток излучения, сравнимый с потоком, получаемым Землей от современного Солнца.

Возраст Солнца и расстояние от звезды до Юпитера в первом случае составят 12,25 миллиарда лет и две астрономических единицы, а во втором — 12,45 миллиарда лет и 0,8 астрономической единицы соответственно. В обоих случаях моделировались суточные и годовые вариации поглощенного поверхностью Европы потока излучения в зависимости от широты и долготы. При этом учитывалась переменчивость геометрического альбедо Юпитера, который отраженным светом дополнительно освещает Европу, а также тот факт, что у Европы одно из полушарий всегда обращено к Юпитеру из-за приливного захвата.

После того как Европа попадает в обитаемую зону красного гиганта, большая часть ее поверхности достаточно легко достигает точки сублимации в 170 кельвин и через шесть юпитерианских лет лед в средних широтах и экваториальной зоне полушария, обращенного к Юпитеру, сублимирует, образуя водяной пар. Через еще десять юпитерианских лет фазовый переход будет иметь место и для экваториальной зоны обратного полушария Европы. Когда спутник начнет получать поток излучения, сравнимый с земным, то полушарие, обращенное к Юпитеру, нагреется до 306 кельвин, а обратное — до 314 кельвин. Разница в температурах связана с затмениями Юпитера Солнца и уменьшением альбедо планеты. При этом весь лед в средних широтах спутника будет претерпевать сублимацию.

Расчеты показывают, что разреженная вторичная европеанская атмосфера будет удерживать тепло при температурах выше чем 250 кельвин, из-за чего резко растет скорость потери атмосферы через гидродинамическую диссипацию и утечку Джинса, однако такой нагрев может быть лишь в случае облучения, сравнимого с земным, и если по мере движения по орбите вокруг Юпитера спутник не будет быстро охлаждаться. В общем же случае Европа может сохранять атмосферу, по крайней мере, 0,2 миллиарда лет, после чего начнется взрывной парниковый эффект. Этот результат интересен в контексте моделирования возможных спектров атмосфер экзолун в обитаемых зонах, если подобные будут достоверно обнаружены в будущем.

В настоящее время к Европе летит автоматическая станция Europa Clipper для подробного исследования этого спутника Юпитера.