Небольшим планетам-океанам пообещали долгую жизнь в обитаемой зоне

Маломассивные экзопланеты (массой менее Марса), целиком покрытые водой, вопреки ожиданиям, не испытывают бесконтрольный парниковый эффект и могут оставаться в зоне обитаемости на протяжении миллиардов лет. Результаты моделирования направлены на публикацию в The Astrophysical Journal, препринт можно прочитать на arXiv.org.

Астрономы считают возможным существование большого количества маломассивных экзопланет, располагающих, несмотря на малую гравитацию, большими запасами воды, и при этом находящихся в зоне обитаемости своей звезды. Одним из источников тел такого рода могут быть экзолуны планет-гигантов в других системах, за пределами Солнечной. Из наблюдений известно, что зачастую планеты-гиганты мигрируют ближе к своим звездам. В Солнечной системе крупные планеты имеют множество спутников, причем многие из них в значительной мере состоят из водного льда.

Предполагается, что в результате миграции экзопланеты-хозяина некоторые из этих спутников неизбежно будут утрачены и превратятся в маломассивные самостоятельные планеты (отдельные исследователи предлагают называть их плунетами). При этом из-за большого количества воды в их составе они окажутся покрыты глубокими океанами. Сегодня главным критерием потенциальной обитаемости небесных тел считается существование на их поверхности жидкой воды.

Пока остается неясным, могут ли маломассивные тела, близкие к своей звезде, удерживать свою атмосферу и океаны длительное время, несмотря на слабую гравитацию. Для маломассивных тел это может быть непросто из-за так называемого бесконтрольного парникового эффекта. Его отличие от обычного парникового эффекта заключается в том, что нагрев атмосферы так силен, что приводит к попаданию водяных паров в стратосферу (на Земле стратосфера по сути безводна, водяные пары не могут ее достигнуть в силу низких температур в верхней тропосфере). В стратосфере водяные пары под действием ультрафиолетового излучения распадаются на более легкие водород и кислород, причем первый быстро покидает тела с умеренной гравитацией. У близких к звездам планет может случиться нагрев до температуры, когда все океаны выкипят, сделав небесное тело непригодным для жизни земного типа.

Исследователи из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института во главе с Константином Арншейдтом (Constantin Arnscheidt) попытались установить, возможно ли долговременное существование атмосферы и, соответственно, жидкой воды на поверхности таких тел. Для этого они взяли сценарий наличия у маломассивного тела большого количества воды (40 процентов по массе) и атмосферы, целиком состоящей из водяного пара (вариант, легче всего поддающийся бесконтрольному парниковому эффекту). Затем ученые подсчитали, как будет изменяться площадь той части атмосферы, что поглощает излучение светила, и площадь той части газовой оболочки, что переизлучает в космос в инфракрасном диапазоне.

Для маломассивных и богатых водой тел из-за их низкой гравитации атмосфера в зоне обитаемости будет простираться заметно выше, чем для тел с большой гравитацией. При этом уже самые верхние слои атмосферы будут переизлучать в космос инфракрасное излучение, охлаждая планету. А вот эффективное поглощение коротковолнового излучения от звезды будет проходить в нижних слоях атмосферы. Фактически, маломассивное тело будет покрыто охлаждающим его (за счет переизлучения в космос) газовым пузырем большого размера (то есть «распухшими» верхними слоями атмосферы). По расчетам авторов, для температур поверхности планеты между 273 и 440 кельвин (примерно от нуля до +167 по Цельсию) бесконтрольный парниковый эффект наблюдаться не будет вовсе. То есть планеты-океаны массой от 0,1 земной до, как минимум, 0,03 земной вполне смогут оставаться обитаемыми на протяжении времени от миллиарда до более чем ста миллиардов лет.

Консервативная ширина обитаемой зоны для них, согласно расчетам исследователей, составит 0,08 астрономической единицы для планетных систем у желтых карликов (например Солнечной системы), и 0,008 астрономической единицы для планетных систем у красных карликов. Исследователи отмечают, что это именно консервативная оценка — при наличии на таких телах геохимических циклов (например, углеродного), стабилизирующих климат, ширина обитаемой зоны для них будет намного больше. И напротив, заметное количество углекислого газа в атмосфере без эффективного углеродного цикла (как на Венере сейчас) может привести к сужению такой обитаемой зоны. Авторы отмечают, что описанные ими миры, в силу наличия протяженной атмосферы, могут иметь радиус более 0,3-0,4 земного. Это лежит в рамках наблюдательных возможностей космических телескопов, например, недавно вышедшего из строя «Кеплера» или будущих космических телескопов. Таким образом, их выводы о возможности длительного существования жидкой воды и атмосферы у маломассивных тел в зоне обитаемости можно будет проверить наблюдениями.

Астрономы уже не раз корректировали представления о размерах зоны обитаемости для тех или иных необычных условий. Недавно мы писали о том, как они расширили ее для планет вокруг тесно расположенных двойных звезд.