Экзолуны, вращающиеся вокруг планет-изгоев, могут быть обитаемыми

При поиске признаков жизни за пределами Солнечной системы астробиологи ограничиваются поиском жизни в том виде, в каком мы ее понимаем. По большей части это означает поиск скалистых планет, которые вращаются в пределах обитаемой зоны своей звезды — расстояния, при котором на поверхности планеты может существовать жидкая вода.

В ближайшие годы телескопы и инструменты следующего поколения позволят астрономам охарактеризовать атмосферу экзопланет. Когда это произойдет, они будут искать химические признаки, которые связывают с жизнью, такие как азот, кислород, углекислый газ, метан и аммиак.

Однако астробиологи предположили, что жизнь может существовать во внешней части Солнечной системы под поверхностью ледяных лун, таких как Европа, Каллисто, Титан и других «океанских миров».

Из-за этого нет недостатка в астробиологах, которые считают, что поиск внеземной жизни должен включать экзолуны, в том числе те, которые вращаются вокруг свободно плавающих планет (Free-floating planets, FFP). В недавнем исследовании ученые под руководством Института внеземной физики им. Макса Планка определили необходимые свойства, которые позволяют лунам, вращающимся вокруг FFP, сохранять достаточно жидкой воды для поддержания жизни.

Изучение экзолун является серьезной проблемой с использованием современных методов, и на сегодняшний день не было сделано окончательных подтвержденных обнаружений. Ожидается, что в ближайшие годы ситуация изменится, когда космический телескоп Nancy Grace Roman (RST) и 30-метровые наземные обсерватории, такие как Чрезвычайно большой телескоп ESO (ELT), начнут работу.

Наряду с космическим телескопом Джеймс Уэбб (JWST) эти обсерватории позволят проводить исследования прямой визуализации, где свет, отраженный от атмосферы или поверхности экзопланеты, используется для подтверждения наличия планетарной системы.

Такие исследования также могут выявить экзолуны, которые будут выглядеть как крошечные точки света, вращающиеся вокруг своего родительского тела. В то же время открытие свободно плавающих планет (FFP) в нашей галактике бросило вызов нашему пониманию формирования планет и ранней эволюции планетных систем.

Считается, что эти «планеты-изгои» сформировались в планетных системах и в конечном итоге были выброшены из-за динамической нестабильности. Если предположить, что у этих планет есть спутники на узких орбитах, они, вероятно, будут выброшены вместе с ними.

В предыдущем исследовании ученые продемонстрировали, что спутники размером с Землю, вращающиеся вокруг газовых гигантов размером с Юпитер, могут иметь жидкую воду.

«Мы смоделировали эту среду и обнаружили, что при определенных условиях и при стабильных параметрах орбиты с течением времени на поверхности экзолуны может образовываться жидкая вода. Хотя конечное количество воды для экзолуны земной массы меньше, чем количество воды в земных океанах, этого было бы достаточно для потенциального развития изначальной жизни».

Согласно исследованию, процессы испарения и конденсации (также известные как влажно-сухие циклы) являются ключевыми для ранней эволюции экзолун, обеспечивая необходимую химическую сложность для накопления молекул и полимеризации РНК.

В этом последнем исследовании ученые разработали новую реалистичную модель, которая может рассчитать эволюцию экзолунных орбит за миллиарды лет — временные шкалы, необходимые для эволюции жизни. Их результаты показывают, что экзолуны, тесно связанные с FFP, имеют разумный шанс поддерживать жизнь.

Механизм приливного нагрева и наличие атмосферы с относительно большой оптической толщиной могут способствовать формированию и поддержанию океанов жидкой воды на поверхности экзолун. Чтобы изучить временные рамки, в течение которых может поддерживаться жидкая вода, мы проводим динамическое моделирование процесса выброса и делаем вывод о результирующей статистике популяции выживших экзолунов вокруг FFP. Последующая приливная эволюция орбитальных параметров спутников является ключевым шагом для определения того, когда орбиты станут круговыми с последующим затуханием приливного нагрева.

Мы находим, что близость ( a≲25 R _J ) луны с массой Земли и атмосферой с преобладанием углекислого газа могут удерживать жидкую воду на своей поверхности в течение длительного времени, в зависимости от массы атмосферной оболочки и предполагаемого поверхностного давления. Массивные атмосферы необходимы для улавливания тепла, выделяемого приливным трением, которое делает эти спутники пригодными для жизни. Для земных условий давления (1 бар), спутники могут поддерживать жидкую воду на своей поверхности до 52 млн лет. При более высоком поверхностном давлении (10 и 100 бар) спутники могут быть пригодны для жизни до 276 млн лет и 1,6 млрд лет соответственно.

В ближайшем десятилетии ожидается несколько захватывающих миссий. 13 апреля Европейское космическое агентство (ESA) запустит Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) для исследования Ганимеда и Европы.

К октябрю 2024 года НАСА отправит Europa Clipper, чтобы присоединиться к этим усилиям, сосредоточив внимание на Европе и водяных шлейфах на ее поверхности. А в июне 2027 года миссия НАСА «Стрекоза» будет запущена к Титану, спутнику Сатурна, где она будет изучать поверхность, атмосферу и метановые озера на наличие потенциальных признаков жизни.

Эти миссии окажут глубокое влияние на поиски внеземной жизни, которые сейчас полностью сосредоточены на Марсе. Если и когда эти миссии обнаружат потенциальные доказательства существования жизни во внешней части Солнечной системы, определение «обитаемой зоны» станет не совсем верным.

По мере того, как увеличивается объем знаний, расширяется и поиск, что значительно увеличивает шансы найти жизнь во Вселенной.