Поиск жизни в космосе: ученые выяснили, почему большинство планет обречены

Почему астробиологам пришлось сужать поиски?

Сейчас астрономы открывают новые экзопланеты с исключительной быстротой. Однако рабочего времени мощных обсерваторий типа "Джеймса Уэбба" недостаточно, чтобы детально исследовать атмосферу каждого объекта.

Зона пригодности к жизни - это участок вокруг звезды, где температура позволяет существовать жидкой воде. Но в то же время это и опасная зона: чем ближе планета к светилу, тем сильнее звездный ветер и радиация пытаются сдуть ее газовую оболочку.

Команда исследователей под руководством Мишель Хилл создала симуляцию Smaller Than Earth Habitability Model, чтобы понять, сколько времени подобные Земле планеты разных размеров могут удерживать воздух.

Оказалось, что для формирования жизни нужно, чтобы газы держались как минимум несколько миллиардов лет.

Каким должен быть размер планеты?

Моделирование показало, что обычная модель Земли в уменьшенном масштабе должна иметь не менее 80 процентов от радиуса нашей планеты (0,8 радиуса Земли). При изменении химического состава этот показатель может снижаться до 60 процентов.

По умолчанию более мелкие космические тела проигрывают борьбу за воздух. Они имеют более слабую гравитацию и слабое магнитное поле, поэтому не сдать удерживать газы.

Кроме того, слой магмы (мантия) у малых по размеру планет быстро остывает и затвердевает. Это приводит к тому, что вулканы прекращают извергаться и перестают пополнять атмосферу новыми газами.

Новые экзопланеты, подобные вращающимся вокруг TRAPPIST-1, открываются с поразительной частотой (изображение: Центр космических полетов имени Годдарда NASA)

Как работает модель и почему важен углерод?

Исследователи испытывали уникальные модели планет: с разным размером ядра, толщиной мантии и начальной температурой. Симуляция сравнивала два процесса: как быстро звезда сдувает газы и как быстро вулканы выбрасывают углекислый газ, чтобы их заменить.

Главные факторы удержания атмосферы:

Высокое содержание углерода: углекислый газ имеет тяжелые молекулы, которые звездному ветру трудно выбить в космос. Избыток углерода в мантии оказался важнейшим фактором.

Толстая мантия и относительно малое ядро дают больший запас расплавленного материала и газов.

Радиоактивные элементы: их распад выделяет тепло и поддерживает мантию жидкой гораздо дольше.

Неожиданно холодная мантия. Если мантия сначала холоднее, активные извержения начинаются позже. Это позволяет сберечь газы до момента, когда юная звезда перестанет быть слишком агрессивной и извергать вспышки плазмы.

Перспективы исследований

Даже если экзопланета полностью утратит первичные газы, она может получить второй шанс. Исследователи полагают, что новую атмосферу способны принести кометы и астероиды, содержащие водород, кислород и углерод.

Главное – чтобы эти падения произошли на поздних этапах существования звездной системы, когда сама звезда уже станет "спокойной".

Ученые готовятся применить свою модель для исследования планет у красных карликов. Они составляют около 75 процентов всех звезд нашей Галактики.

Ближайшим объектом анализа станет система TRAPPIST-1, где сразу 3 из 7 каменистых планет расположены в зоне пригодности. Данные моделирования помогут не тратить ресурсы на наблюдение за объектами, которые объективно слишком малы для сохранения атмосферы.