Ученые выяснили, как звездные угрозы влияют на обитаемую зону экзопланет

Когда мы думаем об экзопланетах, которые могут поддерживать жизнь, мы ориентируемся на обитаемую зону. Обитаемая зона — это область вокруг звезды, где планеты получают достаточно звездной энергии, чтобы иметь жидкую поверхностную воду. Это несколько грубый, но полезный первый шаг при изучении тысяч экзопланет.

Однако пригодность для жизни — это нечто гораздо большее.

В плотной звездной среде планеты в обитаемых зонах сталкиваются не только со своей звездой-хозяином. Пролеты звезд и взрывы сверхновых могут выбросить экзопланеты в обитаемых зонах из их солнечных систем и даже разрушить их атмосферы или сами планеты.

Новое исследование изучает угрозы, с которыми сталкиваются обитаемые зоны планет в нашем звездном окружении.

Исследователи изучили 10-парсековые регионы вокруг 84 солнечных систем с экзопланетами в обитаемых зонах. Некоторые из этих систем обитаемой зоны (HZS) сталкиваются с рисками со стороны звезд за пределами солнечных систем. Как эти риски влияют на их обитаемость? Что это значит для нашего понятия обитаемой зоны?

«Среди 4500+ звезд с экзопланетами, около 140+ известны тем, что содержат планеты в своих обитаемых зонах», — пишут авторы. «Мы оцениваем возможные риски, которые местная звездная среда этих HZS представляет для их обитаемости».

На данный момент есть более 150 подтвержденных экзопланет в обитаемых зонах, и по мере развития науки об экзопланетах ученые разрабатывают более детальное понимание того, что означает «обитаемая зона». Ученые все чаще используют термины «консервативная обитаемая зона» и «оптимистичная обитаемая зона».

Оптимистичная обитаемая зона определяется как регионы, которые получают меньше радиации от своей звезды, чем Венера получала 1 миллиард лет назад и больше, чем Марс получал 3,8 миллиарда лет назад. Ученые полагают, что недавняя Венера и ранний Марс вероятно имели поверхностную воду.

Консервативная обитаемая зона — это более строгое определение. Это более узкая область вокруг звезды, где экзопланета может иметь поверхностную воду. Она определяется внутренним краем неуправляемого парникового эффекта, где звездный поток испаряет поверхностную воду, и внешним максимальным краем парникового эффекта, где парниковый эффект углекислого газа доминирует за счет рэлеевского рассеяния.

Это полезные научные определения, насколько это возможно. Но что насчет обитаемых звездных сред? В последние годы ученые многое узнали о том, как ведут себя звезды, о характеристиках экзопланет и о том, как эти два понятия переплетены.

«Открытие многочисленных экзопланет выявило разнообразный набор характеристик звезд и планет, что делает систематические сравнения критически важными для оценки пригодности для жизни и определения потенциала жизни за пределами нашей Солнечной системы», — пишут авторы.

Чтобы провести эти необходимые систематические сравнения, исследователи разработали две метрики: индекс солнечного подобия (SSI) и индекс соседнего подобия (NSI). Поскольку звезды главной последовательности, такие как наше Солнце, способствуют обитаемости, SSI сравнивает свойства нашей солнечной системы со свойствами других HZ.

NSI сравнивает свойства звезд в области размером 10 парсеков вокруг Солнца с областью такого же размера вокруг других HZS. Эти индексы помещают пригодные для жизни зоны в более широкий контекст.

«Хотя концепция HZ очень важна для поиска пригодных для жизни миров, звездная среда планеты также играет важную роль в определении продолжительности жизни и поддержания обитаемости», — пишут авторы. «Исследования показали, что высокая частота катастрофических событий, таких как сверхновые и близкие звездные встречи в регионах с высокой звездной плотностью, не способствует эволюции сложных форм жизни и поддержанию обитаемости в течение длительных периодов».

Когда радиация и высокоэнергетические частицы из удаленного источника достигают планеты в обитаемой зоне, они могут нанести серьезный ущерб планетам земного типа. Сверхновые являются опасным источником радиации и частиц, и если бы одна из них взорвалась достаточно близко к Земле, это стало бы концом жизни на нашей планете. Ученые знают, что древние сверхновые оставили свой след на Земле, но ни одна из них не была достаточно близко, чтобы разрушить атмосферу.

«Наша главная цель — изучить влияние сверхновых на атмосферы экзопланет или экзолун, предполагая, что их атмосферы подобны земным», — пишут авторы.

Первый фактор — звездная плотность. Чем больше звезд в районе, тем больше вероятность взрывов сверхновых и пролетов звезд.

«Астрофизическое воздействие звездной среды — это сценарий с «низкой вероятностью и высокими последствиями» для сохранения обитаемости экзопланет», — пишут авторы. Хотя разрушительные события, такие как взрывы сверхновых или близкие пролеты звезд, маловероятны, последствия могут быть настолько серьезными, что обитаемость будет полностью исключена.

Когда дело дошло до угрозы сверхновых, исследователи обратили внимание на звезды большой массы в звездных окрестностях, поскольку взрываются только массивные звезды. Они обнаружили звезды с массой более восьми солнечных в 10-парсековых окрестностях двух HZS: TOI-1227 и HD 48265.

«Эти массивные звезды являются потенциальными прародителями взрывов сверхновых», — объясняют ученые.

Только одна из HZS подвержена риску звездного пролета. HD 165155 имеет частоту столкновений ≥1 за 5 Gyr период. Это означает, что она подвержена большему риску столкновения с другой звездой, которая может выбросить планеты из своей обитаемой зоны.

Пара индексов, SSI и NSI, дала расходящиеся результаты: «… мы обнаружили, что звездные среды большинства HZS демонстрируют высокую степень сходства (NSI> 0,75) с солнечными окрестностями», — объясняют исследователи. Однако из-за большого разнообразия звезд в HZS сравнение их с Солнцем приводит к широкому диапазону значений SSI.

Известно, какую опасность представляют для обитаемости взрывы сверхновых. Первоначальный всплеск радиации может убить все, что находится на поверхности планеты, расположенной слишком близко. Продолжающееся излучение может смыть атмосферы некоторых планет, находящихся дальше, а также может вызвать повреждение ДНК у любых форм жизни, подвергшихся его воздействию.

Для планет, которые находятся дальше от взрыва, сверхновая может изменить их климат и вызвать вымирание. Нет абсолютно точного понимания того, насколько далеко должна находиться планета, чтобы избежать опустошения, но многие ученые говорят, что в пределах 50 световых лет атмосфера планеты, вероятно, будет уничтожена.

Можно видеть результаты некоторых из рассматриваемых авторами пролетов звезд. Планеты-изгои, или свободно плавающие планеты (FPP), вероятно, находятся в своих неудачных ситуациях именно потому, что чужая звезда подошла слишком близко к их HZS и нарушила гравитационные связи между планетами и их звездами.

Точно неизвестно, сколько таких FPP в Млечном Пути, но их может быть много миллиардов. Будущие телескопы, такие как космический телескоп Нэнси Грейс Роман, помогут понять, сколько их на самом деле.

Обитаемость может быть мимолетной, и наша планета может быть исключением. Возможно, что жизнь появляется на многих планетах в обитаемых зонах, но не может существовать долго из-за различных факторов. С большого расстояния мы не можем обнаружить все переменные, которые входят в обитаемость экзопланет.

Однако возможно получить представление о звездных средах, в которых существуют потенциально пригодные для жизни экзопланеты, и это исследование показывает, как это сделать.