Aby zostać uznanym za nadającą się do zamieszkania, planeta musi mieć płynną wodę. Komórki, najmniejsze jednostki życia, potrzebują wody do pełnienia swoich funkcji. Aby istniała woda w stanie ciekłym, temperatura planety musi być odpowiednia. A co z rozmiarem planety?
Bez wystarczającej masy planeta nie będzie miała wystarczającej grawitacji, aby utrzymać swoją wodę. Nowe badanie próbuje zrozumieć, w jaki sposób rozmiar wpływa na zdolność planety do utrzymywania wody, a co za tym idzie, jej zdolności do życia.
Kwestią tego, co może uczynić planetę możliwą do zamieszkania, jest ciągła debata. Nie tylko dla egzoplanet, ale dla niektórych księżyców w przyszłości naszego Układu Słonecznego. Naukowcy mają całkiem niezły pomysł, ile energii planeta potrzebuje od swojej gwiazdy, aby utrzymać płynną wodę. Stąd powstało popularne pojęcie „Strefy Złotowłosa” lub okołogwiazdowej strefy mieszkalnej, czyli zasięgu bliskości, która nie jest ani zbyt blisko, ani zbyt daleko od gwiazdy, aby płynna woda mogła utrzymać się na planecie.
Wraz ze wzrostem poszukiwań egzoplanet w strefach zamieszkałych oraz w miarę otrzymywania lepszych teleskopów i technik do bardziej szczegółowego badania egzoplanet, naukowcy potrzebują więcej ograniczeń dotyczących tego, na jakich planetach spędzać obserwując zasoby. Jak pokazuje ten artykuł, masa planety może być użytecznym filtrem.
Nowy artykuł zatytułowany jest „Ewolucja atmosfery w światach wodnych o niskiej grawitacji”. Jest opublikowany w The Astrophysical Journal. Głównym autorem jest Constantin W. Arnscheidt, student grad na MIT.
Aby utrzymać płynną wodę na swojej powierzchni oraz w atmosferze, egzoplaneta lub egzomoon muszą mieć wystarczającą masę, w przeciwnym razie woda i atmosfera po prostu odpłyną w kosmos. I musi trzymać się wody wystarczająco długo, aby pojawiło się życie. Astronomowie wykorzystują miliard lat do tego celu.
„Kiedy ludzie myślą o wewnętrznych i zewnętrznych krawędziach strefy mieszkalnej, zwykle myślą o niej tylko przestrzennie, co oznacza, jak blisko planety jest gwiazda” - powiedział Constantin Arnscheidt, pierwszy autor artykułu. „Ale tak naprawdę istnieje wiele innych zmiennych dotyczących zamieszkiwania, w tym masy. Ustalenie dolnej granicy zamieszkiwania pod względem wielkości planety stanowi ważne ograniczenie w naszym ciągłym polowaniu na egzoplanety i egzomony nadające się do zamieszkania. ”
Rozmiar i zasięg strefy mieszkalnej zależy od gwiazdy. Mniejsza, mniej energetyczna gwiazda, jak czerwony karzeł, tworzy strefę mieszkalną bliższą sobie niż większa gwiazda, taka jak nasze Słońce. To jest dobrze zrozumiane. Jeśli planeta znajduje się zbyt daleko od gwiazdy, woda zamarza. Zbyt blisko i następuje niekontrolowany efekt cieplarniany, a woda zamienia się w parę i może wygotować się w kosmos.
Ale w przypadku małych planet o mniejszej masie dzieje się więcej. Mogą być w stanie oprzeć się niekontrolowanemu efektowi cieplarnianemu.
W miarę ocieplania się planety o mniejszej masie atmosfera się rozszerza. Staje się większy w stosunku do wielkości otaczającej go planety. Ma to dwa efekty: zwiększony rozmiar powierzchni oznacza, że atmosfera może pochłonąć więcej energii niż kiedyś, a także może emitować więcej energii niż kiedyś.
Ogólny wynik tego, zdaniem naukowców, jest taki, że rozszerzona atmosfera powstrzymuje niekontrolowany efekt cieplarniany i może utrzymać powierzchnię wody w stanie ciekłym. Oznacza to, że mogą być bliżej swojej gwiazdy bez utraty wody, rozszerzając w ten sposób strefę Złotowłosa dla mniejszych egzoplanet.
Oczywiście jest limit. Jeśli planeta o małej masie jest zbyt mała, nie będzie miała wystarczającej grawitacji, a atmosfera zostanie zrzucona, a woda zostanie z niej usunięta lub zamrożona na powierzchni. Oznacza to, że perspektywy życia są słabe. Naukowcy twierdzą, że istnieje krytyczny dolny limit dla planety nadającej się do zamieszkania. Oznacza to, że nie tylko istnieje pas bliskości gwiazdy, który determinuje warunki do życia na planecie, ale istnieje także limit wielkości.
Mówiąc najprościej, planeta może być zbyt mała, aby nadawać się do zamieszkania, nawet jeśli znajduje się w strefie Złotowłosa.
Ta krytyczna wielkość, według Arnscheidta i innych autorów badania, wynosi 2,7 procent masy Ziemi. Mówią, że jakikolwiek mniejszy, a planeta po prostu nie będzie w stanie utrzymać atmosfery i wody na tyle długo, aby pojawiło się życie. W kontekście Księżyca stanowi 1,2 procent masy Ziemi, a Merkury - 5,53 procent.
Naukowcy wykorzystują na przykład planety podobne do komet. Komety mają dużo wody, która jest sublimowana, gdy zbliżają się do Słońca. Ale brakuje im wymaganej masy, aby utrzymać tę parę i nigdy nie mogą stworzyć atmosfery. Woda traci się w kosmosie. Tak więc planeta, która była zbyt mała, nawet gdyby miała dużo wody, nigdy by jej nie utrzymała.
Naukowcy wykorzystali modele do oszacowania strefy życia planety o niskiej masie wokół dwóch różnych rodzajów gwiazd: gwiazdy typu M lub czerwonego karła i gwiazdy typu G, takiego jak nasze Słońce.
Być może rozwiązali także inne od dawna pytanie dotyczące możliwości zamieszkania w naszym Układzie Słonecznym. Księżyce Jowisza Ganymede, Callisto i Europa mają mnóstwo ciekłej wody uwięzionej pod warstwami lodu. Astronomowie zastanawiali się, czy nadają się do zamieszkania, gdy Słońce promieniuje więcej energii w pewnym momencie swojej gwiezdnej przyszłości. Ale według pracy autorów brakuje im masy, by utrzymać tę wodę, nawet jeśli zrobiły się wystarczająco ciepłe. Ganimedes zbliża się do siebie, ma 2,5% masy Ziemi, ale jest wystarczająco mały, aby być „podobny do komety” i stracić całą wodę w kosmos.
„Świat o niskiej masie wodnej jest fascynującą możliwością w poszukiwaniu życia, a niniejszy artykuł pokazuje, jak różne mogą być ich zachowania w porównaniu z planetami podobnymi do Ziemi” - powiedział Robin Wordsworth, profesor nauk przyrodniczych i inżynierii w SEAS i starszy autor badania. „Gdy obserwacje dla tej klasy obiektów staną się możliwe, ekscytujące będzie bezpośrednie testowanie tych prognoz”.
W swojej pracy naukowcy przyjęli niezbędne założenia. Zakładali, że atmosfera ich światów o niskiej masie była czystą parą wodną. Zakładali również, że woda została ustalona na 40% masy planety. Zignorowali także niektóre inne czynniki, takie jak cykl CO2, zachmurzenie i chemia oceanu. Na tym etapie ich pracy jest po prostu zbyt wiele zmiennych do modelowania.
Autorzy odnoszą się również do idei egzystencjalnych egzystencji zamiast egzoplanet. Można sobie wyobrazić, że w innych układach słonecznych księżyce mogą być bardziej podatne na zamieszkanie niż planety. W takim przypadku w grę wchodzą inne czynniki, takie jak siły pływowe. Może to być szczególnie prawdziwe w przypadku gwiazd typu M lub czerwonych karłów. Wynika to z faktu, że strefa zamieszkiwana przez gwiazdy wokół tych gwiazd o niskiej energii jest już znacznie bliżej gwiazdy niż wokół gwiazdy typu G takiej jak nasze Słońce. Połączone siły grawitacyjne egzomoonu, jego planety i gwiazdy mogą całkowicie wyeliminować możliwość zamieszkania.
Uznają również niektóre z wielu innych czynników, które wpływają na warunki mieszkaniowe. Na przykład, chociaż księżyce takie jak Ganymede mogą być zbyt małe, aby nadawały się do zamieszkania w ich modelu, mogą równie dobrze być życiem w ich podpowierzchniowych oceanach, gdzie woda nie ucieka grubą warstwą lodu.
Jest wiele do zrobienia w zakresie określania warunków mieszkaniowych. Jak twierdzą autorzy w swojej pracy: „Dalsze prace mogłyby rozważyć bardziej skomplikowane modele ucieczki hydrodynamicznej”. W egzoplanetach jest więcej różnorodności i złożoności, niż wiemy obecnie, ale badanie to zaczyna zajmować się niektórymi z nich.
Więcej:
- Informacja prasowa: Strefa Goldilocks dla wielkości planety
- Artykuł badawczy: Ewolucja atmosfery na światach wodnych o niskiej grawitacji
- Space Magazine: Które strefy mieszkalne najlepiej szukać życia?
