Наше понимание обитаемости полностью зависит от наличия жидкой воды. В нем нуждается вся жизнь на Земле, и есть все признаки того, что в нем нуждается и жизнь в других местах. Могут ли планеты с замерзшей поверхностью каким-то образом иметь достаточно воды для поддержания жизни? Планеты земной группы, которые находятся за пределами обитаемой зоны своей звезды, в значительной степени игнорируются при выборе целей для дальнейшего изучения. Но новая статья, опубликованная в Nature Communications, показывает, как вода может существовать и сохраняться на этих холодных экзоземлях. На планетах с ледяными щитами может быть достаточно тепла, чтобы создать постоянный слой жидкой воды подо льдом или застрять между слоями льда.
Статья называется «Жидкая вода на холодных экзоземлях в результате базального таяния ледяных щитов». Ведущим автором является Луджендра Оджа, доцент кафедры планетологии кафедры наук о Земле и планетах Университета Рутгерса. Вместо тепла, исходящего от звезды и накапливающегося в атмосфере из-за парникового эффекта, тепло для таяния льда на экзоземлях будет исходить от самой планеты. Атмосферное давление и состав являются необходимыми факторами в поверхностных жидких водах. Но базальное таяние могло производить жидкую воду без сильной зависимости от их атмосфер для планет за пределами обитаемой зоны. «На таких холодных ледяных экзоземлях базальное таяние региональных/глобальных ледяных щитов за счет геотермального тепла обеспечивает альтернативный способ образования жидкой воды», — говорится в статье.
По словам Ойхи, термин базальное таяние описывает «… любую ситуацию, когда локальный геотермальный тепловой поток и любая теплота трения, возникающая в результате скольжения ледников, достаточны для повышения температуры у основания ледяного щита до точки его плавления». Динамика ледяных щитов на Земле описывает, как ведут себя массивные ледяные щиты в Гренландии и Антарктиде. Эти ледяные щиты движутся под действием гравитации Земли. Температура и прочность льда определяют, насколько сильно происходит таяние, наряду с другими факторами. Те же факторы управляют базальным плавлением на экзоземлях. Вода является основным ингредиентом для жизни. Но есть и другие требования. Вода должна сохраняться и контактировать с породой, чтобы геохимия могла сыграть свою роль. Авторы говорят, что базальное таяние на ледяных экзоземлях может обеспечить и то, и другое.
«Кроме того, подледниковые океаны могут сохраняться на экзоземлях в течение длительного периода из-за миллиардного периода полураспада выделяющих тепло элементов, ответственных за геотермальное тепло», — пишут они. Они также отмечают, что даже слабый геотермальный поток, подобный тому, который образуется на Луне, может обеспечить достаточное количество тепла. Вода в этих океанах взаимодействует с горными породами, а также защищена от радиации. Оба эти фактора являются критическими для жизни. «Эти подледниковые океаны, часто соприкасающиеся с корой планеты и защищенные от высокоэнергетического излучения родительской звезды толстыми слоями льда, могут обеспечить обитаемые условия в течение длительного периода времени».
На замороженных суперземлях гравитация намного сильнее, что создает сложную ситуацию. «Из-за высокой поверхностной гравитации суперземли ледяные щиты могут подвергаться многочисленным фазовым превращениям», — пишут авторы. Фазовые превращения относятся ко льдам с разной плотностью из-за разной геометрии упаковки. Водяной лед может образовывать 18 фаз при воздействии более высокого давления и разных температур, и они могут создавать слои, удерживающие воду между собой. Эти результаты особенно актуальны в отношении экзоземли, которая вращается вокруг М-карликов (красных карликов). обитаемые зоны. Но М-карлики сильно отличаются от таких звезд, как наше Солнце, и продолжаются научные дебаты о том, насколько обитаемыми могут быть М-карликовые планеты.
Хотя М-карлики меньше и менее ярки, чем Солнце, большая часть их светимости приходится на форму высокоэнергетического ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Таким образом, в то время как их обитаемая зона основана на их способности нагревать планету достаточно, чтобы создать жидкую воду, та же самая обитаемая зона может быть областью интенсивной, разрушительной для жизни энергии. Биологические ткани не выдерживают сильного ультрафиолетового и рентгеновского облучения. К этому следует добавить склонность М-карликов к сильным вспышкам, которые могут лишить атмосферы и сделать поверхности планет стерильными. Астрономы считают, что большое количество планет вокруг М-карликов, даже если они находятся в обитаемой зоне, приливно привязаны к своим звездам. Это создает ситуацию звездного глазного яблока, когда часть планеты, обращенная к своей звезде, достаточно теплая для жидкой воды, но слишком сильно облучена для жизни. Лед покроет остальную часть планеты.
Но если авторы правы, все это может не иметь значения, если жизнь сможет закрепиться подо льдом на холодных экзоземлях, вращающихся вокруг красных карликов. Даже если планета заблокирована приливами, большая часть планеты все еще может быть покрыта ледяным щитом. Из-за дрейфа ледяных щитов лед может покрыть весь мир, даже ту его часть, которая обращена к звезде. В этот момент планету можно сравнить с ледяными лунами в нашей Солнечной системе, такими как Европа и Ганимед, за исключением того, что эти луны согреваются за счет приливных изгибов, а не базального таяния. У этих спутников есть подземные океаны, защищенные от радиации их толстой ледяной оболочкой, и они являются основными целями в поисках жизни.
В истории Земли есть прецедент подземных океанов на ледяных экзоземлях. Во время глобальных оледенений или эпизодов «Земли-снежка» во время климата Земли в ледниковом шатре Земля могла быть полностью покрыта льдом. Но геотермальный тепловой поток означал, что замерзла только поверхность океанов. Подо льдом существовала обильная жидкая вода, и жизнь сохранялась. Базальное таяние, возможно, тоже было частью истории Марса. Возможно, это помогло Марсу оставаться пригодным для жизни во время фазы слабого молодого солнца Солнечной системы и может поддерживать подледниковое озеро на южном полюсе планеты по сей день, хотя это весьма спорно.
Базальное таяние на экзоземлях — сложная тема, которую затрудняет отсутствие подробных данных. Но на базовое таяние будут влиять несколько факторов, включая гравитацию, толщину льда и температуру. Исследователи смоделировали тепловой поток на основе гравитации и температуры поверхности для ледяных щитов толщиной 1 км. Модели показали, что неудивительно, что экзоземлям с высокой температурой поверхности (Ts) требуется меньше геотермального тепла, чтобы вызвать базальное таяние, чем планетам с более низкой температурой поверхности. Проксима Центавра b, ближайшая экзопланета-соседка нашей Солнечной системы, является хорошим примером.
Но Проксима Центавра b — маленькая планета, может быть, лишь немного массивнее Земли. Многие экзоземли вокруг красных карликов являются суперземлями с более мощной гравитацией. Некоторые из этих планет также могут иметь ледяные щиты толщиной более 2 км, а может быть, даже до 75 км. Мы не знаем. Как базальное таяние под ледяными щитами будет работать на этих мирах? Исследователи использовали экзопланету LHS 1140 b в качестве примера более экстремальных условий. Это суперземля, в семь раз более массивная, чем Земля, с радиусом на 60% больше Земли. У него поверхностная гравитация почти в 2,5 раза сильнее, чем у Земли, и он вращается вокруг красного карлика на расстоянии около 40 световых лет. В такого рода исследованиях есть много переменных, но есть и прецедент для базального плавления. Нет причин исключать возможность базального таяния, создающего обитаемые регионы на ледяных экзоземлях. Фактически, авторы говорят, что базальное таяние могло произойти относительно легко. В этом нет никакой магии.
«Основная цель этой статьи — продемонстрировать относительную легкость, с которой базальное таяние может быть достигнуто на М-карликах, вращающихся вокруг экзоземли», — пишут они в заключении статьи. Несмотря на то, что существует так много неопределенностей в отношении толщины ледяного покрова, теплопередачи и других факторов, эти неопределенности не обескураживают, потому что существует так много экзопланет. «…если даже горстка потенциально пригодных для жизни экзоземель, обнаруженных к настоящему времени (или в будущем), должна была содержать толстые (> нескольких километров) гидросферы, то жидкая вода в результате базального плавления может присутствовать на этих телах с относительно скромным тепловым потоком", пишут они.
Трудно сказать наверняка с такого большого расстояния. Но посмотрите на историю Земли. Могли бы далекие инопланетные астрономы, наблюдавшие за Землей во время ее ледниковых стадий, задуматься, может ли жизнь каким-то образом сохраниться здесь из-за таяния земной коры? Будут ли они уверены, что Земля находится в обитаемой зоне? Наша планета может столкнуться с еще одним эпизодом «Земли-снежка» в зависимости от того, как дрейфуют континенты Земли в будущем. Если они все еще смотрят, могут ли они представить себе, что глобальная цивилизация может возникнуть из холодных условий и процветать между криогенными периодами планеты?
