Атмосферы экзолун у свободно плавающих экзопланет способны поддерживать жидкую воду

Исследователи Дэвид Дальбюддинг из Института внеземной физики им. Макса Планка, Джулия Роккетти из Европейского космического агентства и другие обнаружили, что спутники свободно плавающих экзопланет с плотной водородной атмосферой могут сохранять приливное тепло в течение миллиардов лет благодаря мощному парниковому эффекту. Водород, выступающий в роли парникового газа, способен создавать условия для существования жидкой воды на поверхности таких лун даже после того, как планета-хозяин была выброшена из своей звездной системы. Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Астрономическое сообщество уже располагает данными о экзопланетах, которые дрейфуют в межзвездном пространстве, не будучи связанными ни с одной звездой (планеты-изгои). Считается, что большинство из них были выброшены из своих родительских систем в результате мощных гравитационных взаимодействий в далеком прошлом. Долгое время предполагалось, что после такого изгнания эти миры обречены на вечный холод и тьму, однако новое исследование указывает на то, что их спутники могли бы избежать столь безрадостной участи.

Ключевым фактором в этой гипотетической судьбе становится процесс самого выброса. Когда планета покидает свою систему, гравитационные возмущения могут сильно вытянуть орбиту ее спутника. В результате такого изменения траектории экзолуна начинает испытывать экстремальные приливные воздействия со стороны планеты-хозяина: ее недра многократно растягиваются и сжимаются. Подобно тому, как это происходит со спутниками Юпитера и Сатурна — Европой и Энцеладом, эти приливные силы способны генерировать колоссальное количество внутреннего тепла.

Решающим фактором для сохранения этого тепла становится состав атмосферы спутника. Если бы атмосфера была нестабильной и позволяла газам конденсироваться в жидкости, большая часть вырабатываемой энергии быстро уходила бы обратно в космос. Однако ситуация кардинально меняется в случае плотных атмосфер с преобладанием водорода. В то время как в условиях земной атмосферы молекулярный водород оказывает минимальное тепловое воздействие, при высоком давлении он начинает вести себя иначе.

Физический процесс, известный как поглощение, вызванное столкновениями, приводит к тому, что во время кратковременных взаимодействий молекулы водорода образуют временные супрамолекулярные комплексы, удерживаемые нековалентными связями. Эти комплексы значительно эффективнее поглощают инфракрасное излучение по сравнению с изолированными молекулами, позволяя водороду конкурировать по парниковой эффективности с такими известными газами, как углекислый газ или метан.

В своей работе ученые пошли дальше простой констатации этого эффекта. Они стремились объединить точные расчеты температуры атмосферы с данными о химическом составе, получаемыми в ходе процессов конденсации. Как объясняет Дэвид Дальбюддинг, это позволило создать наиболее реалистичные на сегодняшний день модели таких небесных тел.

«Такая экзолуна могла бы иметь температуру поверхности, достаточную для поддержания воды в жидком состоянии без близлежащей звезды, что значительно расширило бы возможности для возникновения жизни во Вселенной» — говорит Дэвид Дальбюддинг. При этом он отмечает, что, хотя подобные луны потенциально можно обнаружить уже в ближайшем будущем, анализ их атмосфер останется сложнейшей задачей на долгое время.

Важным дополнением к расчетам стали данные об эволюции орбит. Исследователи учли результаты предыдущей работы, проведенной Джулией Роккетти в 2023 году, которая моделировала, как круговая орбита спутника приводит к постепенному уменьшению доступного приливного тепла. Используя эти наработки, авторы новой статьи смогли рассчитать максимальную продолжительность периода, в течение которого экзолуна может оставаться в обитаемой зоне.

Расчеты показали, что в наиболее плотных водородных атмосферах с давлением, в сто раз превышающим земное, эффект поглощения, вызванного столкновениями, создает условия, достаточно теплые и стабильные для существования жидкой воды. В таких системах пригодные для жизни условия могут сохраняться до 4,3 миллиарда лет после того, как планета-хозяин была выброшена из своей звездной системы, что сопоставимо с возрастом Земли. Помимо этого, авторы работы проводят параллель с ранней Землей, предполагая, что похожие механизмы нагрева за счет водородной атмосферы могли играть важную роль в формировании и репликации молекул РНК на нашей планете, помогая запустить эволюционные процессы.