Размеры планеты также имеют значение для обитаемости.

Чтобы считаться пригодной для жизни, на планете должна быть жидкая вода. Клетки, наименьшая единица жизни, нуждаются в воде для выполнения своих функций. Для существования жидкой воды температура планеты должна быть правильной. Но как насчет размера планеты?

Без достаточной массы у планеты не будет достаточно силы тяжести, чтобы удержать свою воду. Новое исследование пытается понять, как размер влияет на способность планеты удерживать воду и, как следствие, на ее обитаемость.

Вопрос о том, что может сделать планету пригодной для жизни, является спорным вопросом. Не только для экзопланет, но и для некоторых лун в будущем нашей Солнечной системы. Ученые довольно хорошо представляют, сколько энергии планета должна получить от своей звезды для поддержания жидкой воды. Это привело к распространенному представлению о «Зона обитаемости» , или околозвездной обитаемой зоне, диапазоне близости, который не является ни слишком близко, ни слишком далеко от звезды, чтобы жидкая вода сохранялась на планете.

По мере того как поиск экзопланет в обитаемых зонах набирает обороты, и по мере того, как мы получаем более совершенные телескопы и методы для более подробного изучения экзопланет, ученым нужно больше ограничений на то, на какие планеты тратить ресурсы наблюдения. Как показано в этой статье, масса планеты может быть полезным фильтром.

Новая статья называется «Атмосферная эволюция в маломощных водных мирах». Она опубликована в «Астрофизическом журнале». Ведущий автор - Константин В. Арншайд, аспирант Массачусетского технологического института.

Чтобы поддерживать жидкую воду на своей поверхности и в атмосфере, экзопланета или экзолуна должны иметь достаточную массу, иначе вода и атмосфера просто уйдут в космос. И она должна держаться за свою воду достаточно долго, чтобы появилась жизнь. Для этого астрономы используют приблизительную цифру в миллиард лет.

«Когда люди думают о внутренних и внешних границах обитаемой зоны, они склонны думать только о ней пространственно, имея в виду, насколько планета находится близко к звезде», - сказал Константин Арншайдт, первый автор статьи. «Но на самом деле, есть много других переменных для обитаемости, в том числе массы. Установление нижней границы для обитаемости с точки зрения размера планеты дает нам важное ограничение в нашей постоянной охоте на обитаемых экзопланет и экзолун».

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 наше Солнце. Это хорошо понято. Если планета находится слишком далеко от звезды, вода замерзает. Слишком близко, и происходит парниковый эффект, и вода превращается в пар и может выкипать в космос.

Но для маленьких планет с меньшей массой происходит больше. Они могут быть в состоянии противостоять безудержному парниковому эффекту.

По мере того как планета с меньшей массой нагревается, атмосфера расширяется. Он становится больше по сравнению с размером планеты, которую она окружает. Это имеет два эффекта: увеличенный размер поверхности означает, что атмосфера может 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 они могут поддерживать на поверхности жидкую воду. Это означает, что они могут быть ближе к своей звезде, не теряя воды, тем самым расширяя зону обитаемости для небольших экзопланет.

Конечно, есть предел. Если планета малой массы слишком мала, у нее не будет достаточной силы тяжести, и атмосфера будет удалена, и вода будет либо удалена вместе с ней, либо замерзнет на поверхности. Это означает, что перспективы для жизни неясны. Исследователи говорят, что для обитаемой планеты существует критический нижний предел. Это означает, что существует не только полоса близости к звезде, которая определяет обитаемость планеты, но и ограничение по размеру.

Проще говоря, планета может быть слишком маленькой, чтобы быть обитаемой, даже если она находится в зоне обитаемости.

Этот критический размер, согласно Арншайдту и другим авторам исследования, составляет 2,7 процента массы Земли. Говорят, что меньше, чем это, и планета просто не сможет удерживать свою атмосферу и воду достаточно долго, чтобы появилась жизнь. Для контекста, Луна составляет 1,2 процента от массы Земли, а Меркурий - 5,53 процента.

Исследователи используют кометоподобные планеты в качестве примера. У комет много воды, которая сублимируется, когда они приближаются к Солнцу. Но им не хватает необходимой массы, чтобы удерживать этот пар, и они никогда не могут образовать атмосферу. Вода теряется в космосе. Так что планета, которая была слишком маленькой, даже если бы в ней было много воды, никогда бы не удержалась на ней.

Исследователи использовали модели для оценки обитаемой зоны планеты с низкой массой вокруг двух разных типов звезд: звезды М-типа или звезды красного карлика и звезды G-типа, подобной нашему Солнцу.

Они также, возможно, решили еще один давний вопрос обитаемости в нашей собственной Солнечной системе. У спутников Юпитера Ганимеда, Каллисто и Европы есть много жидкой воды, пойманной в ловушку под слоями льда. Астрономы задались вопросом, будут ли они пригодными для жилья, когда Солнце излучает больше энергии в какой-то момент своего звездного будущего. Но, согласно работам авторов, им не хватает массы, чтобы удержать эту воду, даже если они стали достаточно теплыми. Ганимед приближается, на 2,5% массы Земли, но он достаточно мал, чтобы быть «подобным комете» и потерять всю свою воду в космосе.

«Маломассовые водные миры - захватывающая возможность в поиске жизни, и этот документ показывает, насколько их поведение, вероятно, будет сравниваться с поведением планет, подобных Земле», - сказал Робин Вордсворт, доцент кафедры экологических наук и инженерии в SEAS и старший автор исследования. «Как только наблюдения для этого класса объектов станут возможными, будет интересно попробовать напрямую проверить эти предсказания».

Исследователи сделали некоторые необходимые предположения в своей работе. Они предполагали, что атмосфера их миров с низкой массой была чистым водяным паром. Они также предположили, что вода была зафиксирована на 40% от массы планеты. Они также игнорировали некоторые другие факторы, такие как цикличность CO2, облачность и химический состав океана. На этой стадии их работы просто слишком много переменных для моделирования.

Авторы также обращаются к идее обитаемых экзолун, а не экзопланет. Вполне возможно, что в других солнечных системах спутники могут быть более пригодными для обитания, чем планеты. В этом случае в игру вступают другие факторы, такие как приливные силы. Это может быть особенно верно в отношении звезд типа М или красных карликов. Это потому, что околозвездная обитаемая зона вокруг этих низкоэнергетических звезд уже намного ближе к звезде, чем вокруг звезды типа G, такой, как наше Солнце. Объединенные гравитационные силы экзолуны, его планеты и звезды могут полностью уничтожить обитаемость.

Они также признают некоторые из множества других факторов, которые влияют на пригодность для жизни. Например, даже если такие луны, как Ганимед, могут быть слишком малы, чтобы быть пригодными для жизни в их модели, вполне могут быть обитаемы в их подземных океанах, где вода не может вытекать через толстый слой льда.

В отношении определения обитаемости предстоит 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.