PopularEditorialNew
BestОбсуждаемое

Могут ли планеты, вращающиеся около красных карликов и находящиеся в приливном захвате, быть обитаемыми?

1

16.12.2022, EVAN GOUGH, universetoday.com

image
Представление художника об обитаемой экзопланете, вращающейся вокруг красного карлика. Обитаемость планет у красных карликов является предположительной. Credit ESO/M.Kornmesser public domain

Астрономы очень интересуются красными карликами и планетами, которые вращаются вокруг них. Согласно некоторым исследованиям, до 85% звезд Млечного Пути могут быть красными карликами, а 40% из них могут содержать экзопланеты земного типа в своих обитаемых зонах.

Но есть некоторые проблемы с их потенциальной обитаемостью. Одной из таких проблем является приливная блокировка.

Красные карлики иногда называют «М-карликами», но термины могут быть немного расплывчатыми.

Путаница между терминами красный карлик и М-карлик связана с температурой и массой. Одно определение красного карлика является синонимом М-карлика, основанное на максимальной температуре 3900 К и максимальной массе 0,6 массы Солнца.

Другое определение красного карлика включает более горячие звезды с максимальной температурой 5200 К и максимальной массой 0,8 массы Солнца. Это определение включает в себя все звезды главной последовательности К-типа, которые также называются К-карликами.

Другое определение красного карлика включает только часть классификации K-карликов, а еще одно включает некоторые коричневые карлики.

image
Диаграмма Герцшпрунга-Рассела показывает, как перекрываются определения. Определение красного карлика может быть немного нечетким. Иногда определение включало самые яркие коричневые карлики, а иногда оно включало всю или часть классификации K-карликов. Credit: By User: Spacepotato – Modified version of Image: HR-diag-no-text.svg, written by Rursus and modified by Bhutajata, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2093830

В целом, красные карлики — самые маленькие и самые крутые звезды главной последовательности. Поскольку это такие маломассивные объекты, они развиваются медленно и живут долго. Наименее массивные среди них могут поддерживать постоянную светимость в течение триллионов лет, но таких старых красных карликов во Вселенной пока нет.

Как бы их ни определяли астрономы, их очень много. Если оценка в 250 миллиардов звезд в Млечном Пути верна, то 212 миллиардов из них могут быть красными карликами. Астрономы считают, что в обитаемых зонах красных карликов находится много каменистых планет. Вот почему астрономическое сообщество прилагает такие целенаправленные усилия для изучения красных карликов: это хранилище для экзопланет Млечного Пути.

Красные карлики маленькие и тусклые. Другие звезды могут быть настолько яркими, что почти невозможно обнаружить маленькие планеты, проходящие перед ними. Но красные карлики гораздо менее яркие, поэтому их свет не создает такого же препятствия. Эта же тусклость затрудняет их наблюдение с больших расстояний, но астрономы разработали способы работы с этими ограничениями.

image
Наш ближайший звездный сосед — Проксима Центавра, красный карлик, показанный в маленьком красном кружке. Он слишком тусклый для невооруженного глаза, но астрономы все же обнаружили три планеты, вращающиеся вокруг него. Одна из них — планета размером с Землю в обитаемой зоне красного карлика. Две яркие звезды — это (слева) Альфа Центавра и (справа) Бета Центавра. Credit: Skatebiker at English Wikipedia (CC BY-SA 3.0)

Европейская южная обсерватория (ESO) реализует проект под названием SPECULOOS , поиск пригодных для жизни планет, затмевающих сверххолодные звезды. SPECULOOS — это система из четырех роботизированных камер в обсерватории Параналь.

Миссия SPECULOOS проста: обнаруживать планеты земной группы, когда они проходят через маленькие холодные звезды в нашем районе Млечного Пути. Есть и другие попытки найти красные карлики и охарактеризовать их популяцию. Обзор экзопланет красных карликов HARPS-N (HADES) проанализировал спектры неярких молодых М-карликов. Почтенный космический телескоп Хаббла также приступил к работе со своей программой наблюдения за обитаемыми зонами и активностью карликов M во времени (HAZMAT). Поскольку красных карликов так много, Kepler, TESS и другие изучали красные карлики в рамках своих наблюдений.

Но SPECULOOS и другие не могут детально изучить красные карлики. Планеты, которые они обнаруживают, становятся целями для более глубоких наблюдений с космическим телескопом Джеймса Уэбба и мощными наземными телескопами, строящимися прямо сейчас. Эти телескопы смогут изучить атмосферы этих планет и обнаружить больше подсказок о возможной их обитаемости.

Эта новая работа является частью усилий по сокращению списка красных карликов для дальнейшего изучения JWST и другими телескопами. Время для наблюдения на этих телескопах пользуется большим спросом, и очень важно определить цели, которые могут ответить на конкретные вопросы. «При подготовке к предстоящим наблюдениям становится все более важным, чтобы мы понимали весь спектр возможных планетарных климатов М-карликов и их перспективы для жизни», — пишут авторы.

image
TRAPPIST-1, вероятно, является самой известной ультрахолодной или красной карликовой звездой. У нее находится несколько скалистых планет размером примерно с Землю. Астрономы считают не случайным, что у ультрахолодных звезд и красных карликов есть много маленьких каменистых планет, и они надеются, что SPECULOOS найдет их. Credit: NASA/JPL-Caltech

Наблюдения за М-карликами многое открыли. Но у астрономов до сих пор нет окончательных ответов на некоторые важные вопросы, касающиеся этих звезд и обитаемости их планет. Не слишком ли сильно они вспыхивают? Не излучают ли они слишком сильное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение? Сбрасывают ли они атмосферы звезд в своих обитаемых зонах?

Есть еще один большой вопрос, связанный с обитаемостью планет у красных карликов: приливная блокировка, также называемая синхронным вращением [приливным захватом].

Поскольку М-карлики не обладают высокой яркостью, их обитаемые зоны находятся ближе, чем у таких звезд, как наше Солнце. Планеты должны находиться в этих близких к М-карликам обитаемых зонах. В результате такой близости они оказываются в гравитационном захвате своих звезд, что не позволяет им вращаться. Поэтому планеты в обитаемых зонах М-карликов, вероятно, приливно привязаны к своим звездам.

Новое исследование изучало заблокированные приливом планеты М-карликов, чтобы понять, какие условия могут сделать их терминаторные области пригодными для жизни. Исследование называется «Обитаемость терминаторов: аргументы в пользу ограниченной доступности воды на планетах М-карликов», и оно было принято к публикации в The Astronomical Journal. Ведущий автор — Ана Лобо, кандидат наук из кафедры геологических и планетарных наук Калифорнийского технологического института.

Когда планета приливно привязана к своей звезде, она создает то, что ученые-планетологи иногда называют областью звездного глазного яблока. Часть планеты, обращенная непосредственно к звезде, нагревается, а за линией терминатора — нет. Это может создать планету с жидкой водой в звездном глазном яблоке, но замерзшей водой в других местах.

image
Это впечатление художника от экзопланеты TRAPPIST-1f. Вероятно, это пример «холодной» планеты с «глазом» в ледяной оболочке, с океаном на стороне, обращенной к звезде. Credit: By NASA/JPL-Caltech – Catalog page · Full-res (MOV), Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=56552366

Авторы статьи объясняют направленность своего исследования во введении. «Предыдущие исследования были сосредоточены на сценариях, в которых частичная обитаемость ограничена подзвездной или «глазной» областью, но в этой статье мы исследуем возможность существования планет с терминаторной обитаемостью, определяемой существованием обитаемой полосы на переходе между жаркой дневной стороной и ледниковой ночной стороной».

С первых дней открытия экзопланет ученые задавались вопросом о заблокированных приливами экзопланетах, и ​​о том, могут ли они быть обитаемыми. Перепады температуры между днем ​​и ночью могут не быть экстремальными, если атмосфера планеты достаточно циркулирует. На экзопланетах со значительным количеством поверхностных вод перенос тепла океаном может влиять на дневную и ночную температуру, потенциально снижая температуру. Но какое соотношение воды и суши может создать обитаемую терминаторную зону?

image
На иллюстрации этого художника изображен терминатор на экзопланете. В этом регионе всегда вечные сумерки. Credit: Image Science and Analysis Laboratory, NASA Johnson Space Center.

В своей статье авторы смоделировали экзопланеты с разным соотношением суши и воды. Они хотели определить, как это соотношение повлияло на полосу обитаемости, сосредоточенную на терминаторе планеты.

Без атмосферной или океанической циркуляции ночная сторона этих запертых приливами планет, вероятно, замерзла. И наоборот, на дневной стороне может наблюдаться концентрация водяного пара, который никогда не рассеивается, создавая безудержный парниковый эффект. Но в зависимости от того, сколько тепла может циркулировать на планете, полоса обитаемости вокруг терминатора может быть шире или тоньше.

«В этой статье, — пишут авторы, — мы исследуем климат на внутреннем краю обитаемой зоны у М-карлика, чтобы определить, как меняется частичная обитаемость, когда дневные температуры начинают превышать пределы пригодности для жизни». Хотя никакая строго определенная температура не обуславливает обитаемость, авторы работают в диапазоне от 0 до 50 градусов по Цельсию. В статье основное внимание уделяется конкретной звезде по имени AD Leonis. 

Они выбрали AD Leonis не потому, что вокруг нее вращаются экзопланеты, а потому, что это хорошо изученная звезда, представляющая более яркие красные карлики, где астрономы обнаружили большинство экзопланет в обитаемой зоне. Он также находится рядом с Солнцем — всего в 16 световых годах от него — поэтому ее относительно легко наблюдать. (AD Leonis — известная вспыхивающая звезда, но ее вспыхивающая активность не была частью исследования.)

image
Это художественное изображение близлежащего красного карлика AD Leonis, также известного как Gliese 388. Известно, что, как и другие красные карлики, он сильно вспыхивает, но изучение его вспышек не было частью этого исследования. Credit: National Astronomical Observatory of Japan.

Команда исследователей провела два набора симуляций, чтобы изучить обитаемость терминатора. В одном наборе участвовали аквапланеты, богатые водой, а в другом –планеты земного типа с ограниченным запасом воды. Команда сравнила результаты, чтобы выяснить, насколько эти планеты могут быть обитаемы.

Они использовали смоделированную планету Aq34 в качестве отправной точки, потому что в этом смоделированном сценарии она имеет солнечную постоянную, подобную Земле, и в основном умеренный дневной климат.

image
На этом изображении из исследования показаны смоделированные планеты. Исследователи смоделировали шесть аквапланет и три планеты земного типа. Credit: Lobo et al. 2022

Исследование показало, что некоторые переменные производят конкурирующие эффекты. Например, более высокая средняя планетарная температура может производить больше водяного пара, который может действовать как парниковый газ. Но увеличение количества водяного пара также означает увеличение облачного покрова. Это может повысить альбедо планеты, отражая от нее больше звездной энергии и помогая ей оставаться более прохладной.

image
Этот рисунок из исследования показывает, как переменные могут иметь конкурирующие эффекты.
(a) показывает приземную температуру и ветры. 
(b) показывает высоту в средней тропосфере и характер ветра. 
© показывает альбедо верхних слоев атмосферы. 
(d) желтыми контурами показаны скорость испарения с поверхности и количество осадков, достигающих поверхности. 
© показывает, что области с обильными облаками отражают большую часть приходящего СВ (коротковолнового потока или звездного излучения), уменьшая потепление в звездном глазу, но также увеличивая парниковый эффект.
Image C
redit: Lobo et al. 2022

Авторы отмечают, что для того, чтобы планета имела обитаемую терминаторную зону, она должна иметь большой перепад между дневной и ночной температурами. «По определению, чтобы терминатор мог быть обитаемым, планета должна выдерживать большие температурные градиенты днем ​​и ночью», — пишут они. Только эта динамика может сформировать достаточно широкую терминаторную область, чтобы создать пригодные для жизни температуры.

Исследование показывает, что смоделированные планеты-океаны не могут создать пригодный для жизни терминатор. Чем ближе одна из этих планет к красному карлику, тем выше ее звездный поток, уменьшая разницу между дневной и ночной температурой сторон. Эти планеты будут производить однородный климат до того, как дневная сторона достигнет безудержного парникового эффекта. Они никогда не проходили через состояние, в котором терминатор был обитаем.

Планеты с ограниченным запасом воды жили иначе. По мере увеличения звездного потока «… большие градиенты дневной и ночной температуры легко достижимы, не входя в неконтролируемое парниковое состояние, — объясняют авторы. Это помогает создать обитаемую терминаторную зону. — Мы также обнаружили, что конфигурации планет земного типа с ограниченными водными ресурсами могут быть благоприятными с точки зрения долгосрочной стабильности климата», а это означает, что терминатор может быть пригоден для жизни в течение продолжительных периодов времени.

«Мы обнаружили, что умеренный терминатор недостижим с помощью симуляций аквапланет, которые стремятся воспроизвести планеты, покрытые океаном, но могут легко возникнуть на планетах с ограниченным количеством воды», — заключают они.

Астрономы испытывают трудности с определением содержания воды в красных карликах. Исследования лучевой скорости могут измерить, насколько планета тянет свою звезду, и могут дать некоторое представление о плотности планеты в сочетании с измерениями размеров. Планета с более низкой плотностью, вероятно, имеет больше воды. Но эти измерения не точны.

Астрономы считают, что экзопланеты с ограниченным запасом воды могут быть более многочисленными, чем планеты с большим количеством воды, но для подтверждения этого понимания необходимы дополнительные исследования. Согласно этому исследованию, если оно верно, то это сулит хорошие условия для жизни. «Поэтому обитаемость терминаторов может представлять собой значительную долю пригодных для жизни М-карликовых планет», — пишут авторы.

Но если обитаемый терминатор более вероятен на экзопланетах с ограниченным запасом воды, это может повлиять на возможность существования жизни. В конце концов, для жизни нужна вода. «В целом, отсутствие обильной поверхностной воды в этих симуляциях может создать проблему для возникновения жизни в этих условиях», — пишет команда.

На этих планетах есть некоторые сбивающие с толку переменные. Что, если доступная вода заперта в ледниках на ночной стороне планеты? Что, если атмосфера настолько плотная и перемешана так эффективно, что этот мир слишком горячий? В какой-то степени на эти вопросы можно ответить, но только путем дополнительных исследований.

image
Иллюстрация этого художника показывает мир глазного яблока со всей водой, замерзшей в ледники на ночной стороне, и полностью бесплодной дневной стороной. Credit: By Ittiz – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=114028109

Нам нужно больше исследований красных карликов и их планетных конфигураций суша-вода. Это исследование является хорошей отправной точкой и может помочь астрономам выбрать хорошие цели для последующих наблюдений с помощью телескопа Джеймса Уэбба. Авторы признают ограничения своей работы в своем последнем комментарии.

«Мы ожидаем, что будущие исследования, изучающие более широкий спектр конфигураций землеподобных планет, особенно те, которые будут исследовать следующие поколения поверхностных и ледяных моделей, обнаружат широкий спектр сценариев обитаемых терминаторов в режимах, промежуточных по отношению к рассмотренным здесь случаям с планет с ограниченным количеством воды и аквапланет».

Дополнительная информация:

1. Исследовательская работа: Обитаемость терминаторов: аргументы в пользу ограниченного наличия воды на М-карликовых планетах
2. Википедия: Обитаемость систем красных карликов
3. Вселенная сегодня: хорошие новости! Красные карлики взрывают свои супервспышки у полюсов, спасая свои планеты от разрушения

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Источник: Are Planets Tidally Locked to Red Dwarfs Habitable? It’s Complicated

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

13

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть ещё 1 комментарий, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Удачливый Дмитрий Олегович
Вечность назад

вот красный карлик, вполне себе обитает))) https://i.ibb.co/n6Cq8Hd/ea6-X8t-MW1-GY.jpg

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
If you were unable to log in, try this link.