Моделирование формирования экзопланет может помочь в поиске внеземной жизни
Астрофизик из Флоридского технологического института Ховард Чен предлагает новые идеи для помощи NASA в поиске жизни за пределами Земли. Его последняя теоретическая работа исследует планетную систему TRAPPIST-1 — одну из наиболее широко изучаемых экзопланетных систем в галактике. Она привлекла внимание ученых своим потенциалом для наличия воды, а значит, и возможной жизни, на своих планетах. Теперь Чен предлагает объяснение, почему телескопы до сих пор не нашли однозначных признаков ни того, ни другого.
Статья «Рожденные сухими или влажными? Палитра историй роста воды в аналогах TRAPPIST-1 и компактных планетных системах» была опубликована в The Astrophysical Journal Letters в сентябре. Она исследует вероятность того, что три самые внутренние экзопланеты TRAPPIST-1 не содержали воды при формировании, несмотря на нахождение в зоне, где вода возможна.
TRAPPIST-1 — красный карлик, расположенный примерно в 40 световых годах от нас. Считается, что его возраст около 7,6 миллиардов лет, то есть на 3 миллиарда лет больше, чем у нашего Солнца.
Астрономов привлекает система TRAPPIST-1, потому что ее семь известных планет — каменистые и похожие на Землю. Они также находятся в обитаемой зоне звезды — диапазоне расстояний от звезды, где температуры не слишком высоки или низки для поддержания жидкой воды.
Исследователи ищут любые свидетельства наличия воды на этих планетах, но пока ничего не обнаружили. Некоторые полагают, что недостаток газа в атмосфере мешает свету, необходимому для получения детальных визуальных данных. Другие предполагают, что вода могла покинуть атмосферы планет в процессе их эволюции.
Однако Чен и его команда решили исследовать другую теорию: изначально воды не было, потому что не было газа, чтобы ее удержать. Он проверил ее не с наблюдательной точки зрения, а с помощью математического моделирования начального формирования планет.
Исследователи создали модели, которые изучали состав и рост этих планет, начиная с момента, когда их размер составлял всего 1 километр. Они смоделировали, как материал накапливался во время столкновений с другими небесными объектами, пока не сформировались окончательные планеты.
Есть несколько ключевых факторов в событиях столкновения, которые сильно влияют на окончательный состав планеты. Модели Чена учитывали:
- Ударную доставку — перенос материалов, таких как вода и газы, во время столкновения.
- Ударную эрозию — удаление материалов из атмосферы планеты из-за удара.
- Мантийно-атмосферный обмен — перенос воды и газов между атмосферой и мантией планеты для поддержания ее условий.
Команда провела сотни симуляций столкновений, которые дали тысячи различных возможностей формирования планет TRAPPIST-1. Они варьировали несколько компонентов, таких как количество воды, доступное системе, профиль начальной среды формирования планет, профили плотности планет и начальные условия системы. Для внутренних миров, особенно первых трех планет, большинство симуляций показали отсутствие воды.
Чен считает, что основная причина, по которой планеты не смогли получить воду, кроется в природе событий столкновения. Столкновения в компактных планетных системах происходят с более высокой скоростью, они более агрессивны и энергетичны. Это означает, что вместо приобретения материала для газовой атмосферы, атмосферы планет полностью очищались силой столкновений. Без газа в атмосфере, чтобы удержать воду, возможно, любая ранее существовавшая вода улетучивалась обратно в космос во время этих событий.
Понимание самых ранних характеристик планеты — ее содержания воды, воздуха и углерода — закладывает основу для ее эволюции. Таким образом, когда исследователи идентифицируют планету, которая кажется пригодной для жизни на поверхностном уровне, они могут использовать модель Чена, чтобы смоделировать, какими могут быть эти далекие миры внутри, на поверхности и в атмосфере.
Сочетание теоретического контекста формирования планеты с состоянием, в котором она была обнаружена, может помочь исследователям и NASA принимать обоснованные и эффективные решения о том, какие планеты стоит исследовать, а когда пора переходить к следующей.