Навколо червоних карликів можливе існування землеподібних водних планет, говорить дослідження
Останнім часом вивчення екзопланет було зосереджено на виявленні кам’янистих планет помірного розміру, подібних до Землі, які часто називають життєпридатними планетами. Більшість останніх місій націлені на зорі, що холодніші за Сонце. Такі зорі відомі як червоні карлики або зорі М-типу, яких багато у наших околицях.
Для підтримки помірного клімату планеті необхідні м’яка інсоляція та достатня кількість морської води. Попередні моделі формування планет однак передбачають, що частота появи планет, які задовольняють таким умовам, навколо зірок М-типу є невеликою. Нові симуляції, проведені докторантом Токійського університету Тадахіро Кімурою та професором Масахіро Ікомою з Відділу наук NAOJ, зосередилися на формуванні багатої воднем атмосфери з протопланетного диска та виробництві води внаслідок реакції між атмосферою та океаном магми.
Вони розробили нову модель формування планет і, таким чином, передбачили кількість морської води на екзопланетах, що обертаються навколо зірок М-типу. У результаті, за їхніми оцінками, кілька відсотків планет із землеподібними радіусом та інсоляцією, що обертаються навколо зірок М-типу, мають помірну кількість морської води. Це дає змогу припустити, що відкриття планет з помірним кліматом у найближче десятиліття цілком імовірне. Результати дослідження були опубліковані в журналі Nature Astronomy 29 вересня.
З моменту першого відкриття у 1995 році, було виявлено понад 5 000 планет, що обертаються навколо зірок, відмінних від Сонця (екзопланет). Виявлення такої великої кількості екзопланет показало, що планетні системи дуже поширені у Всесвіті. З іншого боку, стало зрозуміло, що екзопланети відрізняються розміром, складом, відстанню від центральної зірки та інсоляцією.
Серед виявлених на сьогодні планет є багато планет розміром із Землю. Питання про те, чи є серед них планети з помірним кліматом, як на Землі, становить великий інтерес. Вода необхідна для життя на Землі, але вода також відіграє важливу роль у кліматі. Відомо, що для підтримування помірного клімату необхідна стримана кількість зоряного випромінювання, а також океан з помірною кількістю води.
Сучасна Земля здатна підтримувати теплий клімат завдяки функціонуванню вуглецевого циклу за допомогою тектоніки плит і континентального вивітрювання; якби кількість океанічної води була у кілька десятків разів більшою, ніж на Землі, вуглецевий цикл був би обмежений, що призвело б до надзвичайно спекотного або холодного клімату.
Широко поширена ідея про те, що океани сучасної Землі були доставлені водоносними кам’янистими або крижаними тілами. Попередні дослідження, які застосували цю ідею до екзопланет навколо зірок М-типу, дали змогу передбачити, що планети з помірним вмістом води трапляються рідко, припускаючи, що хоча зорі М-типу є основною метою майбутніх пошуків життєпридатних планет, ймовірність виявлення придатних для життя планет вкрай мала.
З іншого боку, виробництво води в атмосфері, що накопичується, було запропоновано як альтернативний процес отримання води в попередньому дослідженні професора Ікоми та його колеги. Як правило, коли планета росте в протопланетному диску, вона гравітаційно захоплює газ із диска та формує атмосферу, яка складається переважно з водню.
Крім того, вважається, що кам’яниста поверхня планети у процесі зростання розплавлена під впливом тепла небесних ударів; а саме, планета вкрита океаном магми. У цей час хімічна реакція між атмосферним воднем та оксидами в магматичному океані призводить до утворення води. Враховуючи ефекти такої реакції утворення води, можна сформувати планету, багатшу на воду, ніж у звичайних теоретичних моделях.
Кількість надбаних планетою гідрогенних порід і кількість води, отриманої в результаті реакцій, що призводять до утворення води, сильно залежать від процесу формування планети. У цьому дослідженні Кімура та Ікома розробили нову модель синтезу планетарної популяції для переоцінки частоти водних планет у позасонячних системах навколо зірок М-типу.
Модель відстежує зростання маси та орбітальну еволюцію планет, ґрунтуючись на останніх теоріях планетоутворення, і може розрахувати кількість води, набутої в процесі. На додаток до раніше розглянутого надбання гідрогенних порід, модель також враховує ефект виробництва води в первісній атмосфері.
Чисельне моделювання з використанням цієї моделі показує, що в різних місцях утворюється широкий спектр планет різних розмірів та атмосферних мас.
Екзопланети, що обертаються навколо зірок М-типу, можуть зберігати дуже різноманітні кількості води, коли відбувається її утворення в первісній атмосфері. Деякі з цих планет сформувалися з такою ж кількістю морської води, як і на Землі. Більша частина морської води на цих планетах з’явилася завдяки виробництву води в атмосфері. Аналіз розрахункових даних дав змогу передбачити, що кілька відсотків планет з радіусами від 0,7 до 1,3 раза більшими за земний зберігають достатню кількість води для підтримання помірного клімату (приблизно в 0,1–100 разів більший за земний вміст морської води).
Очікується, що в рамках поточних і майбутніх програм дослідження екзопланет, таких як TESS і PLATO, в жилій зоні навколо зірок М-типу буде виявлено близько 100 планет розміром із Землю. Результати цього дослідження показують, що деякі з цих планет будуть аквапланетами з теплим кліматом, подібним до земного.
Спостереження атмосферних спектрів екзопланет за допомогою інфрачервоних космічних телескопів JWST і Ariel також покажуть наявність молекул води та інших елементів в атмосфері. Очікується, що ці спостереження підтвердять теоретичні передбачення цього дослідження та дадуть змогу краще зрозуміти процес формування водних планет, таких як Земля.
Джерело: Національна астрономічна обсерваторія Японії (NAOJ).
