Новая теория предсказывает существование похожих на Землю планет возле красных карликов
Недавние исследования экзопланет были сосредоточены на открытии каменистых планет умеренного пояса, таких как Земля, которые часто называют потенциально обитаемыми планетами. Большинство недавних миссий нацелены на звезды холоднее Солнца. Такие звезды известны как красные карлики или звезды М-типа, которых очень много в окрестностях Солнечной системы.
Умеренная инсоляция (облучение поверхностей светом) и достаточное количество морской воды необходимы для поддержания умеренного климата на планете. Однако предыдущие модели формирования планет предсказывают, что частота появления планет, удовлетворяющих таким условиям, возле звезд М-типа невелика.
Новое моделирование, проведенное учеными Токийского университета, сосредоточилось на формировании богатой водородом атмосферы из протопланетного диска и производстве воды посредством реакции между атмосферой и магматическим океаном.
Они разработали новую модель формирования планет и, таким образом, предсказали количество морской воды, которое будут иметь экзопланеты, вращающиеся вокруг звезд М-типа. В результате их оценка показывает, что несколько процентов планет с земными радиусами, вращающимися вокруг звезд М-типа, имеют умеренное количество морской воды. Это говорит о том, что открытие планет с умеренным климатом в ближайшее десятилетие очень вероятно.
С момента первого ооткрытия в 1995 году было обнаружено более 5000 планет, вращающихся вокруг звезд, отличных от Солнца (экзопланет). Обнаружение такого большого количества экзопланет показало, что планетные системы обычны в нашей галактике. С другой стороны, также стало ясно, что экзопланеты разнообразны по размеру, составу, удаленности от центральной звезды и инсоляции.
Среди обнаруженных до сих пор планет есть достаточно много планет размером с Землю. Имеет ли какая-либо из них умеренный климат, как Земля, представляет большой научный интерес. Вода необходима для жизни на Земле, но вода также играет важную роль в климате. Известно, что для поддержания умеренного климата требуется умеренное количество звездного излучения, а также океан с умеренным количеством воды.
Современная Земля способна поддерживать теплый климат за счет функционирования углеродного цикла с тектоникой плит и континентальным выветриванием; если бы количество океанической воды было в несколько десятков раз больше, круговорот углерода был бы ограничен, что привело бы к чрезвычайно жаркому или холодному климату.
Распространено мнение, что современные океаны Земли были сформированы водоносными астероидами или ледяными телами. Предыдущие исследования, применявшие эту идею к экзопланетам возле звезд М-типа, привели к предсказанию, что планеты с умеренным содержанием воды редки, предполагая, что, хотя звезды М-типа являются основной целью будущих поисков пригодных для жизни планет, маловероятно, что там будут найдены потенциально обитаемые планеты.
С другой стороны, производство воды в аккумулирующей атмосфере было предложено в качестве альтернативного процесса получения воды в предыдущих исследованиях ученых. Как правило, когда планета растет в протопланетном диске, она гравитационно получает газ из диска и образует атмосферу, состоящую в основном из водорода.
Кроме того, каменистая поверхность растущей планеты считается расплавленной из-за тепла небесных столкновений, то есть планета покрыта океаном магмы. В это время химическая реакция между атмосферным водородом и оксидами в океане магмы привела бы к образованию воды. Принимая во внимание последствия такой водообразующей реакции, можно сформировать планету, более богатую водой, чем в обычных теоретических моделях.
Количество водосодержащих пород, получаемых планетой, и количество воды, получаемой в результате реакций образования воды, сильно зависят от процесса формирования планеты. В новом исследовании ученые разработали модель синтеза планетарного населения для переоценки частоты водных планет во внесолнечных системах возле звезд М-типа.
Модель отслеживает рост массы и орбитальную эволюцию планет на основе последних теорий формирования планет и может рассчитать количество воды, приобретаемой в процессе. В дополнение к рассмотренному ранее приобретению водосодержащих пород модель также по-новому включает эффект образования воды в первичной атмосфере.
Как показано на рисунке, экзопланеты, вращающиеся вокруг звезд М-типа, могут удерживать очень различное количество воды, когда работает производство воды в первичной атмосфере. Некоторые из этих планет сформировались с таким же количеством морской воды, что и Земля. Большая часть морской воды на этих планетах поступает за счет образования атмосферных вод. Анализ вычислительных данных привел к предсказанию, что несколько процентов планет с планетарным радиусом от 0,7 до 1,3 радиуса Земли сохраняют достаточное количество воды для поддержания умеренного климата.
Ожидается, что около 100 планет размером с Землю будут обнаружены в обитаемой зоне возле звезд М-типа в текущих и будущих программах исследования экзопланет, таких как TESS и PLATO. Результаты этого исследования предсказывают, что некоторые из этих планет будут водными планетами с земным теплым климатом.
Наблюдения атмосферных спектров экзопланет с помощью космических телескопов JWST и Ariel также позволят выявить присутствие в атмосфере молекулы воды и других элементов. Ожидается, что эти наблюдения подтвердят теоретические предсказания этого исследования и приведут к лучшему пониманию процесса формирования водных планет, таких как Земля.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy.