|
Являются ли планеты у красных карликов обитаемыми
|
|
|
|
Астрономы очень интересуются красными карликами и планетами, которые вращаются вокруг них. Согласно некоторым исследованиям, до 85% звезд Млечного Пути могут быть красными карликами, а 40% из них могут содержать экзопланеты земного типа в своих обитаемых зонах. Но есть некоторые проблемы с их потенциальной обитаемостью. Одной из таких проблем является приливная блокировка. Красные карлики иногда называют «М-карликами», но термины могут быть немного расплывчатыми. Путаница между терминами красный карлик и М-карлик связана с температурой и массой. Одно определение красного карлика является синонимом М-карлика, основанное на максимальной температуре 3900 К и максимальной массе 0,6 массы Солнца.
|
|
|
|
Другое определение красного карлика включает более горячие звезды с максимальной температурой 5200 К и максимальной массой 0,8 массы Солнца. Это определение включает в себя все звезды главной последовательности К-типа, которые также называются К-карликами. Другое определение красного карлика включает только часть классификации K-карликов, а еще одно включает некоторые коричневые карлики. Диаграмма Герцшпрунга-Рассела показывает, как перекрываются определения. В целом, красные карлики — самые маленькие и самые крутые звезды главной последовательности. Поскольку это такие маломассивные объекты, они развиваются медленно и живут долго. Наименее массивные среди них могут поддерживать постоянную светимость в течение триллионов лет, но таких старых красных карликов во Вселенной пока нет.
|
|
|
Как бы их ни определяли астрономы, их ужасно много. Если оценка в 250 миллиардов звезд в Млечном Пути верна, то 212 миллиардов из них могут быть красными карликами. Астрономы считают, что в обитаемых зонах звездного населения красных карликов находится много каменистых планет. Вот почему астрономическое сообщество прилагает такие целенаправленные усилия для изучения красных карликов: они представляют собой экзопланету Млечного Пути с печеньем. Красные карлики маленькие и тусклые. Другие звезды могут быть настолько яркими, что почти невозможно обнаружить маленькие планеты, проходящие перед ними. Но красные карлики гораздо менее яркие, поэтому их свет не создает такого же препятствия. Та же тусклость затрудняет их наблюдение с больших расстояний, но астрономы разработали способы работы с этими ограничениями.
|
|
|
|
Европейская южная обсерватория (ESO) реализует проект под названием SPECULOOS — поиск пригодных для жизни планет, затмевающих сверххолодные звезды. SPECULOOS — это система из четырех роботизированных камер в обсерватории Параналь. Миссия SPECULOOS проста: обнаруживать планеты земной группы, когда они проходят через маленькие холодные звезды в нашем районе Млечного Пути. Есть и другие попытки найти красных карликов и охарактеризовать их популяцию. Обзор экзопланет красных карликов HARPS-N (HADES) проанализировал спектры тихих молодых М-карликов. Почтенный космический телескоп Хаббла также приступил к работе со своей программой наблюдения за обитаемыми зонами и активностью карликов M во времени (HAZMAT). Поскольку красных карликов так много, Kepler, TESS и другие изучали красные карлики в рамках своих наблюдений.
|
|
|
|
Но SPECULOOS и другие не могут детально изучить красные карлики. Планеты, которые они обнаруживают, становятся целями для более глубоких наблюдений с космическим телескопом Джеймса Уэбба и мощными наземными телескопами, строящимися прямо сейчас. Эти телескопы могут изучать атмосферы этих планет и раскрывать больше ключей к обитаемости. Эта новая работа является частью усилий по сокращению списка красных карликов для дальнейшего изучения с JWST и другими. Наблюдения за временем на этих телескопах пользуются большим спросом, и очень важно определить цели, которые могут ответить на конкретные вопросы. «При подготовке к предстоящим наблюдениям становится все более важным, чтобы мы понимали весь спектр возможных планетарных климатов М-карликов и их перспективы для жизни», — пишут авторы.
|
|
|
|
Наблюдения за М-карликами многое открыли. Но у астрономов до сих пор нет окончательных ответов на некоторые важные вопросы, касающиеся этих звезд и обитаемости их планет. Не слишком ли сильно они вспыхивают? Не излучают ли они слишком сильное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение? Сбрасывают ли они атмосферы звезд в своих обитаемых зонах? Есть еще один большой вопрос, связанный с обитаемостью красных карликов: приливная блокировка, также называемая синхронным вращением. Поскольку М-карлики не обладают высокой яркостью, их обитаемые зоны находятся ближе, чем такие звезды, как наше Солнце. Планеты должны находиться близко к М-карликам, чтобы находиться в меньших обитаемых зонах. Но эта близость помещает их в гравитационную хватку их звезд, не позволяя им вращаться. Таким образом, планеты в обитаемых зонах М-карликов, вероятно, приливно привязаны к своим звездам.
|
|
|
|
Новое исследование изучало заблокированные приливом карликовые планеты М, чтобы понять, какие условия могут сделать их терминаторные области пригодными для жизни. Исследование называется «Обитаемость терминаторов: аргументы в пользу ограниченной доступности воды на планетах М-карликов» и было принято к публикации в The Astronomical Journal. Ведущий автор — Ана Лобо, доктор философии. Кандидат кафедры геологических и планетарных наук Калифорнийского технологического института. Когда планета приливно привязана к своей звезде, она создает то, что ученые-планетологи иногда называют областью звездного глазного яблока. Часть планеты, обращенная непосредственно к звезде, нагревается, а за линией терминатора — нет. Это может создать планету с жидкой водой в глазном яблоке звезды, но замерзшей водой повсюду.
|
|
|
|
Авторы статьи объясняют направленность своего исследования во введении. «Предыдущие исследования были сосредоточены на сценариях, в которых частичная обитаемость ограничена подзвездной или «глазной» областью, но в этой статье мы исследуем возможность существования планет с терминаторной обитаемостью, определяемой существованием обитаемой полосы на переходе между палящим дневная сторона и ледниковая ночная сторона». Ученые задавались вопросом о заблокированных приливами экзопланетах и о том, как они могут быть обитаемыми с первых дней открытия экзопланет. Экстремальные температуры между днем и ночью могут не быть экстремальными, если атмосфера планеты достаточно циркулирует. На экзопланетах со значительным количеством поверхностных вод перенос тепла океаном может влиять на дневную и ночную температуру, потенциально снижая температуру.
|
|
|
|
Но какое соотношение воды и суши может создать обитаемую терминаторную зону? В этой статье авторы смоделировали экзопланеты с разным соотношением покрытия суши и воды. Они хотели определить, как это соотношение повлияло на окружающую планету полосу обитаемости с центром на терминаторе. Без атмосферной или океанической циркуляции ночная сторона этих запертых приливами планет, вероятно, замерзла. И наоборот, на дневной стороне может наблюдаться концентрация водяного пара, который никогда не рассеивается, создавая безудержный парниковый эффект. Но в зависимости от того, сколько тепла может циркулировать на планете, полоса обитаемости вокруг терминатора может быть шире или тоньше.
|
|
|
|
«В этой статье, — пишут авторы, — мы исследуем климат на внутреннем краю обитаемой зоны М-карликов, чтобы определить, как меняется частичная обитаемость, когда дневные температуры начинают превышать обитаемые пределы». Хотя никакая строго определенная температура не определяет обитаемость, авторы работают в диапазоне от 0 до 50 градусов по Цельсию. В статье основное внимание уделяется конкретной звезде по имени AD Leonis. Они выбрали AD Leonis не потому, что вокруг нее вращаются экзопланеты, а потому, что это хорошо изученная звезда, представляющая более яркие красные карлики, где астрономы обнаружили большинство экзопланет обитаемой зоны. Он также находится рядом с Солнцем — всего в 16 световых годах от него — поэтому его относительно легко наблюдать. (AD Leonis — известная вспыхивающая звезда, но ее вспыхивающая активность не была частью этого исследования.)
|
|
|
|
Команда исследователей провела два набора симуляций, чтобы изучить обитаемость терминатора. В одном наборе участвовали аквапланеты, богатые водой, а в другом — наземные планеты с ограниченным запасом воды. Команда сравнила результаты, чтобы выяснить, насколько эти планеты могут быть обитаемы. Они использовали смоделированную планету Aq34 в качестве отправной точки, потому что в этом смоделированном сценарии она имеет солнечную постоянную, подобную Земле, и в основном умеренный дневной климат. Исследование показало, что некоторые переменные производят конкурирующие эффекты. Например, более высокая средняя планетарная температура может производить больше водяного пара, который может действовать как парниковый газ. Но увеличение количества водяного пара также означает увеличение облачного покрова. Это может повысить альбедо планеты, отражая от нее больше звездной энергии и помогая ей оставаться более прохладной.
|
|
|
|
Авторы отмечают, что для того, чтобы планета имела обитаемую терминаторную зону, она должна иметь большой перепад между дневной и ночной температурами. «По определению, для того, чтобы терминатор мог быть обитаемым, планета должна выдерживать большие температурные градиенты днем и ночью», — пишут они. Только эта динамика может создать достаточно широкую терминаторную область, чтобы создать пригодные для жизни температуры. Исследование показывает, что смоделированные планеты-океаны не могут создать пригодный для жизни терминатор. Чем ближе одна из этих планет к красному карлику, тем выше ее звездный поток, уменьшая разницу между дневной и ночной температурой сторон. Эти планеты будут производить однородный климат до того, как дневная сторона достигнет безудержного парникового эффекта. Они никогда не проходили через состояние, в котором терминатор был обитаем.
|
|
|
|
Планеты с ограниченным запасом воды жили иначе. По мере увеличения звездного потока «… большие градиенты дневной и ночной температуры легко достижимы, не входя в неконтролируемое парниковое состояние», — объясняют авторы. Это помогает создать обитаемую терминаторную зону. «Мы также обнаружили, что конфигурации наземных планет с ограниченными водными ресурсами могут быть благоприятными с точки зрения долгосрочной стабильности климата», а это означает, что терминатор может быть пригоден для жизни в течение продолжительных периодов времени.
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что умеренный терминатор недостижим с помощью симуляций аквапланет, которые стремятся воспроизвести планеты, покрытые океаном, но могут легко возникнуть на планетах с ограниченной водой», — заключают они. Астрономы испытывают трудности с определением содержания воды в красных карликах. Исследования лучевой скорости могут измерить, насколько планета тянет свою звезду, и могут дать некоторое представление о плотности планеты в сочетании с измерениями размеров. Планета с более низкой плотностью, вероятно, имеет больше воды. Но эти измерения не точны. Астрономы считают, что экзопланеты с ограниченным запасом воды могут быть более многочисленными, чем планеты с большим количеством воды, но для подтверждения этого понимания необходимы дополнительные исследования. Согласно этому исследованию, если это правда, то это сулит хорошие условия для жизни. «Поэтому обитаемость терминаторов может составлять значительную часть обитаемых М-карликовых планет», — пишут авторы.
|
|
|
|
Но если обитаемый терминатор более вероятен на экзопланетах с ограниченным запасом воды, это может повлиять на возможность существования жизни. В конце концов, для жизни нужна вода. «В целом, отсутствие обильной поверхностной воды в этих симуляциях может создать проблему для возникновения жизни в этих условиях», — пишет команда. На этих планетах есть некоторые смешанные переменные. Что, если доступная вода заперта в ледниках на ночной стороне планеты? Что, если атмосфера настолько густая и смешанная, что весь мир слишком горячий? На эти вопросы можно ответить в степенях, но только путем дополнительных исследований.
|
|
|
|
Нам нужно больше исследований красных карликов и их конфигураций суша-вода. Это исследование является хорошей отправной точкой и может помочь астрономам выбрать хорошие цели для последующих наблюдений с помощью Джеймса Уэбба. Авторы признают ограничения своей работы в своем последнем комментарии. «Мы ожидаем, что будущие исследования, изучающие более широкий спектр конфигураций наземных планет, особенно те, которые используют будущие поколения поверхностных и ледяных моделей, обнаружат широкий спектр сценариев обитаемых терминаторов в режимах, промежуточных по отношению к рассмотренным здесь случаям с ограниченной водой и аквапланетами».
|
|
|
|
Источник
|
