|
Атмосферы экзопланет вокруг красных карликов
|
|
|
|
Ученые, изучающие экзопланеты, с нетерпением ожидают открытия атмосферы вокруг экзопланет земного типа. Не разреженный, едва различимый набор молекул, а плотная, прочная атмосфера, потенциально поддерживающая жизнь. Благодаря тому, как мы обнаруживаем экзопланеты, большинство обнаруженных нами планет земной группы обращаются вокруг красных карликов (M-карликовых планет).
|
|
|
|
Это создает проблему для поиска атмосферы, поскольку красные карлики известны своими сильными вспышками. Поскольку красные карлики очень тусклые, их обитаемая зона находится очень близко к ним. Это означает, что экзопланеты в обитаемой зоне находятся так близко к звездам, что они подвержены вспышкам, и ожидается, что это разрушит любую атмосферу, которая может быть у этих планет. А без атмосферы перспективы обитаемости крайне малы.
|
|
|
|
Поскольку они расположены так близко, экзопланеты в обитаемых зонах красных карликов, вероятно, также привязаны к своим звездам в результате приливов. Это означает, что одна сторона планеты постоянно освещена (дневная сторона), а другая постоянно темна (темная сторона). Таким образом, в то время как на дневной стороне очень жарко, на ночной стороне очень холодно.
|
|
|
|
Согласно новому исследованию, это может привести к очень необычной ситуации. Статья называется "Атмосферный коллапс и повторное раздувание в результате столкновений планет земной группы с М-карликами", и ее ведущим автором является Прюн Август. Август - аспирант факультета космических исследований и технологий Датского технического университета. Исследование было опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters и доступно онлайн на сервере препринтов arXiv.
|
|
|
|
|
|
|
Как ясно из названия, работа посвящена экзопланетам земного типа, вращающимся вокруг M-карликов. "Атмосферы этих планет подвержены атмосферной эрозии и разрушению из-за конденсации летучих веществ на темной стороне", - пишут авторы. Они говорят, что эти атмосферы не только подвержены разрушению в результате вспышек, но и что некоторые летучие вещества замерзают и оседают на поверхность на холодной темной стороне. "Однако эти сжатые летучие вещества, накопленные в виде льда на темной стороне, представляют собой стабильный резервуар, который может быть повторно испарен при ударе метеорита и восстановить атмосферу".
|
|
|
|
Это необычная идея. Если вспышка красного карлика наиболее разрушительна в начале жизни звезды, то, как только вспышка угаснет, тепло от столкновений может восстановить летучие вещества с темной стороны в новой атмосфере. "С помощью простой модели энергетического баланса, применяемой для моделирования эволюции атмосферы со стохастическими воздействиями, мы оцениваем жизнеспособность и важность этого механизма для атмосферы CO", - пишут авторы.
|
|
|
|
В своей работе они рассматривали экзопланеты из программы JWST DDT Rocky Worlds, целью которой является поиск атмосфер на экзопланетах, вращающихся вокруг маленьких красных карликов. В качестве первого шага они провели моделирование случайных столкновений с экзопланетой размером с Землю и массой, равной массе Земли, вращающейся вокруг красного карлика на трех разных орбитальных расстояниях. Они также установили для планеты фиксированную скорость выделения углекислого газа, такую же, как у современной Земли.
|
|
|
|
В целом, они обнаружили, что объекты среднего размера, диаметром около 10 км, падающие на планету примерно каждые 100 миллионов лет, могут поддерживать атмосферу, которую можно обнаружить.
|
|
|
|
Затем они применили полученную модель к трем планетам из группы Rocky Worlds: LTT 1445 Ab, LTT 1445 Ac и GJ 3929 b. "Вместо того, чтобы фокусироваться на статичном конечном этапе эволюции, мы вычисляем долю времени, которое каждая планета проводит с раздутой атмосферой", - объясняют исследователи. "Этот подход учитывает наличие переходных процессов, таких как те, которые возникают при ударах".
|
|
|
|
Исследователи проанализировали 50 000 ситуаций по методу Монте-Карло с различными уровнями воздействия и выброса CO2. Моделирование началось, когда возраст планет составлял 2,2 миллиарда лет, а затем 12 миллиардов лет. Вместе они определили оптимальный диапазон интенсивности воздействия для восстановления атмосферы.
|
|
|
|
Конечно, наши знания о частоте воздействия на экзопланеты далеки от достоверности. "Оценка частоты столкновений экзопланетных систем остается весьма неопределенной, зависящей от таких факторов, как наличие и структура поясов космического мусора, а также архитектура планетной системы", - пишут авторы.
|
|
|
|
Есть много других неопределенностей, например, протяженность ледяных щитов на ночной стороне по сравнению с полярными шапками. Льда должно быть много, и ударники должны ударяться о него. "Ударный элемент имеет более высокую вероятность столкновения со льдом на ледяных щитах ночной стороны по сравнению с полярными шапками", - объясняют исследователи.
|
|
|
|
Несмотря на все эти неопределенности, эта работа рисует картину, отличную от той, к которой мы привыкли. Вместо того, чтобы атмосфера экзопланет земного типа эволюционировала от начального состояния к эволюционно конечному, она может быть временной. Вместо того, чтобы руководствоваться исключительно объемными свойствами, может иметь место эпизодическая регенерация. "Этот динамический обзор важен для наблюдений, поскольку он предполагает, что частота обнаружения может отражать атмосферную стойкость, а не конечные точки эволюции", - пишут авторы.
|
|
|
|
Это имеет некоторое значение для того, как мы наблюдаем экзопланеты и ищем атмосферы. "Если планета проводит 1-10% своего времени в атмосфере, мы должны ожидать соответствующего успеха в ее обнаружении", - пишут исследователи. Одна из трех планет, LTT 1445 Ab, может иметь атмосферу более 50% времени. Это означает, что атмосфера, создаваемая ударами, является "жизнеспособным способом поддержания обнаруживаемой атмосферы вокруг каменистых экзопланет".
|
|
|
|
Эти результаты противоречат здравому смыслу. В своем заключении авторы отмечают, что наличие холодной ночной стороны может быть тем, что защищает атмосферы экзопланет земного типа от разрушения и уноса вспышками красных карликов. Атмосфера в основном находится в замороженном состоянии до тех пор, пока удары не восстановят ее.
|
|
|
|
"Атмосферный коллапс, который обычно рассматривается как пагубный для сохранения атмосферы вокруг скалистых экзопланет, закрытых приливами, играет защитную роль для летучих веществ, защищая их от выхода из атмосферы", - пишут авторы в своем заключении.
|
|
|
|
Хотя темная сторона может служить значительным резервуаром летучих веществ, которые могут восстанавливать атмосферу, слишком частые столкновения могут быть пагубными. Здесь есть свои плюсы как в скорости столкновения, так и в размере ударного элемента. Если их диаметр колеблется от 5 до 10 км и от 1 до 100 из них ударяются об одну планету за миллиард лет, скалистая экзопланета может восстановить свою атмосферу.
|
|
|
|
"Согласно этому показателю, скалистые планеты, вращающиеся вокруг M-карликов, могут сохранять заметную атмосферу CO2 в течение примерно 1-45% своего срока службы при правдоподобных условиях", - заключают исследователи.
|
|
|
|
Источник
|
