Где-то во Вселенной могут существовать каменистые миры, удаленные от звезд-хозяев примерно в два раза дальше, чем Земля от Солнца. Находясь так далеко от тепла своих звезд, эти планеты должны быть довольно холодными, и любая вода на их поверхности должна быть заморожена.
Но ученые-планетологи утверждают, что может существовать целый класс каменистых экзопланет, покрытых толстым слоем водорода и гелия. Если эти слои изолируют ядра планет от сурового холода космоса, их поверхности могут иметь температуру, необходимую для существования жидкой воды. И если это так, то вполне возможно, что эти миры пригодны для жизни.
Около десяти лет назад ученые предположили, что на таких планетах может существовать жизнь. Они иногда называют эти планеты "холодными суперземлями", потому что они, вероятно, в 10 раз массивнее нашего дома. Но исследователи еще не выяснили, может ли вода сохраняться на этих экзопланетах достаточно долго для развития жизни.
Теперь новые расчеты, описанные в статье, опубликованной в понедельник в журнале Nature Astronomy, показывают, что условия на поверхности этих миров могли быть умеренными в течение более чем достаточного для жизни времени - от 5 до 8 миллиардов лет. Для сравнения, возраст Земли составляет всего около 4,5 миллиарда лет, а жизнь на ней возникла около 3,7 миллиарда лет назад.
"Жизни необходимо некоторое время для эволюции. Поэтому важно, что это был длительный период", - говорит Бьорн Беннеке, профессор астрофизики из Института исследований экзопланет при Монреальском университете, который не принимал участия в новом исследовании. Если суперземли имели жидкую воду только в течение относительно небольших отрезков своего существования - например, миллион лет или около того - это будет "обескураживающим" для гипотезы о том, что эти планеты могут быть пригодны для жизни под водородными атмосферами, говорит он.
Новые расчеты дают основания полагать, что эти холодные суперземли могут быть пригодны для обитания. Их существование все еще теоретическое - ни одна из них пока не найдена, поэтому это дает астрофизикам стимул для охоты за этим классом экзопланет, поскольку они пытаются определить, одиноки ли мы во Вселенной.
"Важно быть действительно непредвзятым и не ожидать, что жизнь должна существовать в условиях, которые являются точной копией Земли", - говорит Марит Мол Лоус, ведущий автор новой статьи и аспирант, изучающий экзопланеты в Цюрихском университете в Швейцарии. "Это дает нам дополнительный аргумент в пользу того, чтобы иметь в виду эти экзотические места обитания".
Основываясь на нашей единственной модели известного пригодного для жизни мира - Земли, ученые часто ищут планету, которая также вращается вокруг своей звезды в области, где поверхность планеты не слишком горячая и не слишком холодная для жидкой воды. Этот регион часто называют пригодной для жизни зоной или "зоной Златовласки". Так называемые холодные суперземли, напротив, находятся за пределами зоны обитаемости своих звезд. Но это, как ни странно, может быть частью того, что делает эти инопланетные миры пригодными для жизни.
На Земле атмосферные парниковые газы, такие как углекислый газ и метан, помогают поддерживать "правильную" температуру для воды. Водород также может выступать в качестве парникового газа, если его достаточно много.
Фокус в том, чтобы удерживать водородный газ достаточно долго, чтобы он успел накопиться. Это очень легкий элемент, поэтому, если планета не достаточно массивна и не обладает достаточной гравитацией, чтобы удержать газ, водород исчезнет в космосе. А если планета находится близко к своей звезде, радиация может заставить эти частицы улетучиться быстрее. Огромное расстояние между этими холодными суперземлями и их звездами может защитить их водородный газ от отрыва.
Чтобы выяснить, что потребуется холодной суперземле для поддержания нужной толщины водородно-гелиевой атмосферы в течение длительного периода времени, Мол Лус разработала компьютерные модели скалистых экзопланет различных размеров. Она разместила их на разных расстояниях от смоделированных звезд-хозяев. Затем она провела моделирование того, как они могут эволюционировать со временем.
Мол Лус рассмотрел факторы, которые могут повлиять на температуру поверхности планеты, такие как скорость бегства, яркость или тусклость звезды-хозяина, а также тепло, исходящее от радиоактивных материалов в ее недрах.
Она обнаружила, что благоприятные условия для длительного существования жидкой воды существуют, если атмосфера с преобладанием водорода и гелия в 100-1000 раз толще земной, масса планеты в 1-10 раз больше земной, и она находится как минимум в два раза дальше от своей звезды, чем Земля от Солнца.
Такое расстояние, хотя и делает эти холодные суперземли интригующими для изучения, также делает их чрезвычайно трудными для астрономов. Техника, которую обычно используют ученые для обнаружения экзопланет, основана на прохождении планеты перед своей звездой. В результате такого транзита свет звезды-хозяина немного тускнеет, что астрофизики используют для расчета наличия орбитального мира. Но, говорит Беннеке, когда планета размером со сверхземлю вращается на таком большом расстоянии, вероятность того, что в нужный момент она окажется в нужном положении, чтобы ее можно было обнаружить с помощью нынешних технологий, значительно ниже.
По его словам, до сих пор неизвестно, существуют ли такие суперземли. "Но... эксперты показали, что такое разнообразие планет, весь диапазон планет, которые могут существовать, на самом деле чрезвычайно велик". И если они существуют, остается много вопросов о том, как может возникнуть такой прохладный, влажный мир. Мол Лоус и ее коллеги уже работают над новыми моделями для изучения формирования холодных суперземель.
Но лучшим решением этих загадок, говорит Беннеке, "было бы просто найти эти экзопланеты".