Широко известно, что для статуса «колыбели жизни», планета должна иметь много жидкой воды. Последняя необходима для выполнения клетками (наименьшие единицы жизни) своих первостепенных биологических функций. А для существования жидкой воды температура планеты должна быть и изменяться только в определенном узком диапазоне.
Однако мало кто задается вопросом, имеет ли какое-то значение размер планеты? Ведь без нужной массы у неё не будет достаточной силы тяжести, чтобы удержать воду.
Вопрос о том, что может сделать планету пригодной для жизни, является очень многогранным. Не только для экзопланет, но и для некоторых спутников в будущем нашей Солнечной системы. Ученые довольно хорошо представляют, сколько энергии планета должна получить от своей звезды для поддержания жидкой воды. Накопление знаний о зарождении жизни на Земле привело к появлению понятия «зона Златовласки» – околозвездной обитаемой зоны, которая является ни слишком близкой, ни слишком далекой от звезды для существования жидкой воды на планете.
По мере того, как поиск экзопланет в обитаемых зонах набирает обороты, а человечество изобретает более совершенные телескопы и методы для подробного их изучения, ученые жестче сужают круг планет для наблюдения. Как передает Universe Today, в недавно вышедшей статье под названием «Эволюция атмосферы в водных мирах с низкой гравитацией» к таким критериям попала и их масса.
Для поддержания воды в жидкой фазе на поверхности и в атмосфере, экзопланета обязательно должна иметь достаточную массу, иначе они просто улетучатся в космос. Кроме того, удержание воды должно продолжаться достаточно долго – это условие появления жизни: согласно расчетов астрономов – приблизительно миллиард лет.
«Когда люди думают о внутренних и внешних границах обитаемой зоны, они склонны думать только о пространстве, подразумевая близость расположения планеты к звезде», – сказал Константин Арншайдт, первый автор статьи и аспирант Массачусетского технологического института. «Но на самом деле, есть много других параметров для формирования обитаемости, в том числе масса. Установление нижней границы для обитаемости с точки зрения размера планеты дает нам важное ограничение в постоянной охоте за экзопланетами».
Размер и диапазон обитаемой зоны зависит от звезды. Меньшая, менее энергичная звезда, такая как красный карлик, создает обитаемую зону ближе к себе, чем более крупная звезда, такая как Солнце, например. Это воспринимается достаточно однозначно: если планета находится слишком далеко от звезды, вода замерзает; слишком близко – вода превращается в пар и испаряется в космическое пространство.
Но для маленьких планет с меньшей массой процесс происходит иначе. Они могут быть в состоянии противостоять безудержному парниковому эффекту. По мере того как планета с меньшей массой нагревается, атмосфера расширяется. Она становится больше по сравнению с размером планеты, которую окружает. Это имеет два эффекта: увеличенный размер поверхности позволяет атмосфере поглощать больше энергии, чем раньше, а также излучать больше энергии, чем раньше.
Общий результат этого, по мнению исследователей, заключается в том, что расширенная атмосфера гасит безудержный парниковый эффект, и планеты могут поддерживать на поверхности жидкую воду, то есть они могут быть ближе к своей звезде, не теряя воды, тем самым расширяя зону Златовласки для небольших экзопланет.
Конечно, есть предел. Если планета слишком мала, у нее не будет достаточного притяжения для удержания атмосферы. Соответственно вода либо удалится вместе с ней, либо замерзнет на поверхности. В таких условиях перспективы для жизни очень неясны. Исследователи говорят, что для обитаемой планеты существует критический нижний предел по массе: важна не только близость к звезде, но и ограничение по размеру.
планета может быть слишком маленькой, чтобы быть обитаемой, даже если она находится в зоне Златовласки.
Этот критический размер, согласно Арншайдту и другим авторам исследования, составляет 2,7% массы Земли. Если изучаемая планета меньше данного значения, она просто не сможет удерживать свою атмосферу и воду достаточно долго, чтобы в ней зародилась жизнь. Луна, например, составляет 1,2% массы Земли, а Меркурий – 5,53%.
Исследователи используют также кометоподобные планеты в качестве примера. У них много воды, которая быстро испаряется по мере приближения к Солнцу. В этот момент им не хватает необходимой массы, чтобы удерживать образующийся пар. Поэтому они никогда не смогут образовать атмосферу. Вода теряется в космос. Так что планета, которая является слишком маленькой, никогда не удержит даже очень большое количество воды.
Ученые, возможно, решили еще один давний вопрос обитаемости в нашей собственной Солнечной системе. У спутников Юпитера Ганимеда, Каллисто и Европы есть много жидкой воды, сдерживаемой толстыми слоями льда. Астрономы задались вопросом, будут ли они пригодными для жилья, если Солнце начнет излучат больше энергии в какой-то момент своего будущего. Согласно полученным данным им не хватит массы, чтобы удержать эту воду, даже если бы они стали достаточно теплыми. Ганимед приближается к Земле, составляя 2,5% её массы, но он всё равно маленький.
«Маломассовые водные миры – захватывающий объект в поиске жизни, и эта статья показывает, насколько их поведение, вероятно, будет сравниваться с поведением планет, подобных Земле», – сказал Робин Вордсворт, доцент кафедры экологических наук и инженерии в SEAS. «Как только наблюдения для этого класса объектов станут возможными, будет интересно попробовать напрямую проверить сделанные предсказания».
Ученые также признают некоторые из множества других факторов, определяющих пригодность планет для жизни. Например, даже если такие спутники, как Ганимед, слишком малы для звания «обитаемого», они вполне могут сохранять жизнь в подземных океанах, где вода не может вытекать из-за толстого слоя льда.
В отношении определения обитаемости предстоит проделать еще много работы. Как говорят авторы в своей статье: «В дальнейшей работе можно было бы рассмотреть более сложные модели гидродинамического побега».
В экзопланетах больше разнообразия и сложности, чем мы знаем сейчас, но это исследование начинает затрагивать некоторые из них.
