Учёные определили минимальный размер планеты, способной долго сохранять атмосферу

Каменистая планета может находиться в обитаемой зоне своей звезды, но это ещё не гарантирует подходящих условий для жизни. Если мир слишком мал, его гравитации и внутренней активности может оказаться недостаточно, чтобы удерживать и постоянно восполнять атмосферу. Новое моделирование показало, что при условиях, близких к земным, нижняя граница проходит примерно на уровне 0,8 радиуса Земли. Исследование провела группа планетологов под руководством Мишель Хилл из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Риверсайде. Работа опубликована в журнале The Planetary Science Journal. Учёные разработали компьютерную модель STEHM, предназначенную для оценки того, как долго небольшая каменистая планета способна сохранять газовую оболочку. Авторы подчёркивают, что речь не идёт о строгом доказательстве невозможности жизни на всех мирах меньше определённого размера. Модель рассматривает конкретный тип планет — каменистые миры без тектоники плит, вращающиеся в обитаемой зоне звезды, похожей на Солнце. Тем не менее результаты могут помочь астрономам выбирать наиболее перспективные цели для поиска атмосфер и признаков возможной жизни.

Почему маленькие планеты быстрее теряют атмосферу

По мере уменьшения планеты снижаются её масса и сила притяжения. Молекулам газа становится легче покидать верхние слои атмосферы под воздействием тепла и жёсткого излучения звезды. Особенно опасен ранний этап существования системы, когда молодая звезда испускает мощные потоки ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Одновременно небольшие миры быстрее остывают. Их мантия раньше теряет тепло, кора утолщается, а вулканическая активность постепенно прекращается. Это важно, поскольку вулканы выбрасывают углекислый газ и другие летучие вещества, частично компенсируя утечку атмосферы в космос. Модель STEHM одновременно рассчитывала два процесса: потерю атмосферного газа и его пополнение за счёт дегазации недр. Исследователи проверили планеты размером от земного до половины радиуса Земли, меняя содержание углерода, размеры ядра, температуру мантии, количество радиоактивных элементов и положение внутри обитаемой зоны. При стандартных землеподобных параметрах атмосфера сохранялась в течение миллиардов лет у планет размером не менее 0,8 радиуса Земли. Миры меньшего размера обычно теряли газ быстрее, чем их недра успевали его восполнять.

Некоторые маленькие миры могут получить второй шанс

Размер оказался главным, но не единственным фактором. Наиболее важной дополнительной характеристикой стало первоначальное количество углерода в мантии. Чем его больше, тем больше углекислого газа способны выделить вулканы. Сохранению атмосферы также помогали более толстая мантия, повышенное содержание выделяющих тепло радиоактивных элементов и сравнительно холодное начало геологической эволюции. Последний результат кажется неожиданным. Однако более холодная мантия может позже начать активно выделять газы — уже после того, как молодая звезда переживёт наиболее бурный период. В этом случае новая атмосфера подвергается менее интенсивному разрушению. В отдельных благоприятных сценариях миры размером около 0,7 радиуса Земли могли сохранить атмосферу. Некоторые ещё меньшие планеты после первоначальной потери газовой оболочки теоретически способны сформировать её заново благодаря позднему вулканизму или доставке летучих веществ кометами и астероидами. Однако такие варианты требуют особого состава и необычной истории развития.

Модель описывает оптимистический сценарий

Учёные моделировали атмосферу, состоящую преимущественно из углекислого газа. CO₂ — сравнительно тяжёлая молекула, поэтому такая оболочка представляет благоприятный вариант для удержания вещества. Кроме того, расчёты не включали часть нетепловых механизмов потери атмосферы, например воздействие корональных выбросов и унос ионизированных частиц звёздным ветром. Это означает, что в реальности маленьким планетам может быть ещё сложнее сохранять атмосферу. При этом наличие плотной газовой оболочки само по себе не делает мир обитаемым: избыток углекислого газа способен создать экстремальный парниковый эффект и условия, несовместимые со сложными формами жизни. Новая модель должна помочь астрономам сузить список целей для будущих наблюдений. Учёные планируют адаптировать её для планет у красных карликов, включая систему TRAPPIST-1, а также учитывать приливную синхронизацию, нагрев недр и возможную тектонику плит. Главный вывод исследования состоит в том, что положение в обитаемой зоне — лишь одно из условий потенциальной пригодности планеты для жизни. Не менее важны её размер, внутреннее строение, геологическая история и способность сохранять атмосферу на протяжении миллиардов лет.

• SpaceX запустила на орбиту робота для продления жизни старых спутников
• Ученые создали космическую пыль в лаборатории и приблизились к разгадке происхождения жизни
• Марсоход Curiosity обнаружил на Марсе загадочные структуры, похожие на пчелиные соты
• Российский «Союз» доставил астронавта НАСА и двух космонавтов на Международную космическую станцию
• Астрономы впервые обнаружили возможный «шёпот» всех сверхновых в истории Вселенной
• Китай впервые успешно вернул ступень орбитальной ракеты во время запуска
• Hayabusa2 передал снимки редкого астероида Торифуне
• Странный сигнал LIGO может указать на связь между черными дырами и темной материей