80% земного радиуса: ученые вычислили минимальный размер планеты, способной сохранить атмосферу для жизни

Группа исследователей под руководством Мишель Хилл разработала новую модель оценки обитаемости планет, получившую название STEHM (Smaller-than-Earth Habitability Model). Ученые выяснили, что минимальный радиус планеты для поддержания атмосферы в течение длительного времени составляет 80% от земного (0,8 радиуса Земли). Планеты меньшего размера, особенно с радиусом 0,7 R⊕ и ниже, как правило, теряют свою газовую оболочку за миллиард лет или быстрее. Результаты исследования опубликованы в журнале The Planetary Science Journal.

За последние три десятилетия астрономия совершила революционный скачок: от теоретических рассуждений о существовании миров за пределами Солнечной системы до каталогизации тысяч реальных экзопланет. На сегодняшний день НАСА подтвердило более шести тысяч таких объектов, а еще около семи тысяч ожидают проверки. При этом считается, что в одной только галактике Млечный Путь, насчитывающей свыше ста миллиардов звезд, в среднем на каждую звезду приходится как минимум одна планета. Однако главный вопрос остается открытым: есть ли среди них миры, способные поддерживать жизнь?

Искать признаки жизни напрямую пока невозможно — слишком далеки даже ближайшие экзопланеты. Поэтому ученые сосредоточились на атмосферах. Именно газовый щит планеты может выдать присутствие биологических процессов, но чтобы его проанализировать, нужно сперва понять, какие планеты вообще способны удерживать атмосферу в принципе. Этим и занялась Мишель Хилл и ее команда, создав модель STEHM.

В отличие от большинства предыдущих работ, сосредоточенных на планетах размером с Землю или крупнее, новая модель нацелена именно на миры меньше нашей планеты, от половины до одного земного радиуса. Исследователи использовали вычислительный код ExoPlex, который по радиусу и внутреннему давлению рассчитывает массу планеты и ее внутреннее строение. Они создали шесть профилей планет с разными характеристиками: плотностью, толщиной мантии, содержанием радиоактивных элементов и запасом углерода. Все модели предполагали каменистый состав, атмосферу из углекислого газа и так называемую «крышку» — жесткую поверхностную оболочку, в отличие от подвижной тектоники плит, как на Земле.

Результаты показали, что решающим фактором оказывается не только тектоника, но и внутреннее тепло планеты, а также ее химический состав. Планеты с радиусом менее 0,7 земного теряют атмосферу в течение первого миллиарда лет, а для геологических и тем более биологических масштабов это мгновение. При радиусе 0,8 земного и более, если планета находится в комфортной зоне возле звезды, подобной Солнцу, атмосфера может сохраняться десять миллиардов лет и дольше. Однако и среди карликов есть исключения: при удачном стечении обстоятельств, например высоком содержании углерода и тепловыделяющих элементов (тория, урана, калия) в мантии, планета радиусом 0,7 R⊕ может продержаться дольше ожидаемого.

Ученые также выявили парадокс «горячего старта»: если планета сформировалась с чрезмерно высокой внутренней температурой, мантия плавится слишком рано, радиоактивные элементы быстро расходуются, вулканическая активность затухает, и атмосфера не получает подпитки свежим углекислым газом. Напротив, планеты с небольшим ядром и толстой мантией могут дольше сохранять запасы углерода и тепла, поддерживая вулканизм на протяжении миллиардов лет.

Особую роль играет положение планеты относительно звезды. Если планета слишком близко, мощное излучение расщепляет молекулы CO₂ на легкие компоненты, кислород и углерод, которые сдуваются звездным ветром, увлекая за собой другие молекулы. Слишком далеко, и без парникового эффекта поверхность промерзает, а атмосфера коллапсирует.

Чтобы проверить модель, ученые применили ее к двум ближайшим соседям Земли — Венере и Марсу. STEHM верно предсказала, что у Венеры плотная углекислотная атмосфера сохранилась, а у Марса нет. Марсианский случай был особенно показателен: даже при самых благоприятных начальных условиях маленький радиус и отсутствие тектоники плит обрекали эту планету на потерю атмосферы. Это напрямую отвечает на популярный вопрос о терраформировании Марса: шансов на устойчивую плотную атмосферу у него никогда не было.

Сама Мишель Хилл подчеркивает, что мы, возможно, находимся на очень ранней стадии космической эволюции. Если жизнь возникает не сразу и требует долгой стабильности атмосферы, то человечество может оказаться одним из первых, кому повезло оказаться в нужном месте в нужное время. Ученые уже готовят следующий этап исследования: сравнение планет с «поверхностной крышкой» и миров с активной тектоникой плит, подобной земной. Это приблизит нас к пониманию того, насколько уникальна наша планета среди тысяч других.

В результате модель STEHM установила количественный порог размера для потенциально обитаемых планет: только миры с радиусом не менее 0,8 земного способны сохранять атмосферу в течение времени, достаточного для развития жизни (свыше 10 миллиардов лет). Даже при хороших начальных условиях планеты размером с Марс (около 0,53 R⊕) обречены на потерю газовой оболочки. Это позволяет астрономам отсеивать заведомо непригодные экзопланеты еще на этапе планирования наблюдений, экономя ресурсы телескопов и фокусируясь на мирах, где действительно есть шанс найти атмосферные следы жизни.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях