Обитаемые экзолуны?

Возможность развития жизни на планете связана с наличием у неё спутника. Но в некоторых случаях сам спутник (экзолуна) может стать местом, пригодным для жизни, даже если планета находится и за пределами обитаемой зоны звезды. Дополнительным источником энергии для планеты и её спутника могут стать приливные силы, возникающие из-за гравитационного взаимодействия двух тел.

Обитаемые экзолуны?

Основные усилия астробиологов по отысканию предмета их науки в Солнечной системе сосредоточены на Марсе. Считается, что по «потенциальной обитаемости» он из всех тел занимает почётное второе место. Но в ближайшем будущем, по мере развития возможностей космонавтики и космических телескопов, внимание сместится в сторону внешней части Солнечной системы. Речь идёт о спутниках планет-гигантов за «снеговой линией» (Европа, Титан, Энцелад и др.) В астробиологии сложилась определённая дихотомия: с одной стороны — каменные планеты во внутренней части Солнечной системы в пределах «зоны потенциальной обитаемости», то есть расстояний от Солнца, на которых температура допускает существование жидкой воды; с другой — ледяные спутники планет-гигантов заведомо за её пределами. Эту же дихотомию, очевидно, будут экстраполировать, выбирая методы исследования планет и спутников в других звёздных системах.

В обитаемости экзопланет большую роль могут играть их спутники — экзолуны. Пример такой связи у нас над головой: то, что Луна благоприятно повлияла на эволюцию знакомых нам форм жизни, почти очевидно. Можно спорить об относительной роли разных факторов, привносимых спутником (например, стабилизация оси вращения Земли, которая позволила организмам эволюционировать в течение длительного времени в более-менее одинаковых климатических условиях). Но экзолуны могут сами выступать потенциальными местами зарождения жизни — такую возможность стоит рассмотреть, коль скоро мы уже обращаем внимание на крупные луны-спутники Юпитера и Сатурна. В новом исследовании астрофизики изучали, как параметры орбиты спутников экзопланеты связаны с явлениями приливного нагрева планеты и её экзолун, то есть каким образом гравитационная связь двух или трёх тел (планета и две её луны) приводит к активизации геологических процессов на них (в частности, вулканизма), которые в свою очередь могут выступать источником энергии для поддержания жизни.

Обитаемые экзолуны?
Приливные силы на галактическом уровне приводят к «разрыванию» взаимодействующих галактик

Почему Луна возле планеты важна для её потенциальной обитаемости? Причин много, вот некоторые самые популярные, по мнению астробиологов. Читатель может продолжить список сам.

  • Крупный спутник стабилизирует ось вращения планеты — на планете устанавливается устойчивый цикл смены времён года
  • Приливное взаимодействие с луной может помешать другому приливному захвату — планеты звездой; в этом случае планета была бы всё время повёрнута одной стороной к звезде, что вряд ли благоприятствует развитию жизни
  • Силы приливного взаимодействия нагревают планету. Такие силы могут препятствовать остыванию ядра, соответственно на планете поддерживается геологическая активность (вулканизм, тектоника плит) и сохраняется магнитное поле
  • Наконец, сами экзолуны тоже нагреваются за счёт приливных сил (пример — спутники Юпитера); в некоторых случаях такой нагрев может быть благоприятным для поддержания жизни, например, на экзоспутнике может существовать подлёдный океан, как на Энцеладе.

Во многих случаях луны, покрытые льдом, могут иметь обширные подлёдные океаны. Океаны возникают за счёт приливного нагрева — гравитационного взаимодействия спутника со своей планетой-гигантом. Их существование обеспечивается за счёт горячих гидротермальных источников на дне из-за активных геологических процессов внутри, например, на границе между корой и мантией. Тепла от таких источников может быть достаточно для существования и потенциальной обитаемости «планет-океанов». Такие миры могут существовать и за пределами зоны обитаемости звезды — их внутреннее тепло компенсирует нехватку энергии излучения от звезды.

В последние десятилетия астробиологи и геологи высказывают предположения, что образование Луны около 4,5 миллиарда лет назад сыграло ключевую роль в возникновении жизни на Земле. Магнитное поле Земли возникает в результате вращения расплавленного внешнего ядра вокруг внутреннего твёрдого в направлении, противоположном вращению планеты. Магнитное поле — существенный механизм защиты от космического излучения, а также поддержания устойчивой атмосферы: без него атмосферу планеты постепенно бы выносило солнечным ветром, как это и случилось на Марсе. Почему поле на Земле сохранилось, а на Марсе затухло — пока неясно. Одно из правдоподобных физических объяснений — материал жидкого ядра эти несколько миллиардов лет находится в движении за счёт приливных сил со стороны Луны — так же, как приливы и отливы в океане.

Обитаемые экзолуны?
Юпитер и четыре его крупнейших спутника («Галилеевы луны»)

Итак, взаимодействие планеты со своим спутником (экзолуной) может влиять на потенциальную обитаемость обоих космических тел. Экзолуны также можно использовать для анализа внутреннего строения планет. Если притяжение планеты вызывает приливные явления на спутнике, часть энергии деформации космического тела переходит в тепло, которое и нагревает луну. Этот процесс зависит от множества факторов, включая размер спутника и внутреннее строение (состав его пород на разных глубинах). Приливные силы зависят также от массы луны, расстояния до планеты и вытянутости орбиты (эксцентриситета). А если в системе несколько лун, они могут влиять друг на друга, входя в орбитальный резонанс со множеством возможных вариантов. При этом эксцентриситеты орбиты могут принимать довольно большие значения, что ещё больше усиливает эффект приливного нагрева.

Такие эффекты следуют из решений задачи движения нескольких тел и подтверждаются математическим моделированием таких гравитационных систем. Кроме того, практическую реализацию этих эффектов мы можем наблюдать на множестве лун Юпитера. В частности, самый близкий из его крупных спутников Ио — выразительный пример нагрева приливными силами, вероятно, усиленными из-за резонанса с другими спутниками. Орбитальным резонансом называется такая конфигурация спутников, при которой их периоды соотносятся как небольшие целые числа, например, говорят о резонансе 2:1, 3:2 и т.д. В этом случае два спутника через регулярные интервалы проходят близко друг к другу и «выталкивают» друг друга с установившихся орбит. В одном акте сближения переданный импульс может быть и относительно небольшим, но регулярность таких повторений вызывает эффект, похожий на раскачивание качелей, если их толкать через строго определённые промежутки времени.

В новой работе рассмотрели луны-спутники некоей гипотетической экзопланеты, находящиеся в резонансе 2:1 к своей планете. Размеры и тип планет изменялись от маленьких планет каменного типа и газовых гигантов вида Нептуна до супер-Юпитеров. Самое большое значение приливного нагрева наблюдалось у спутников возле планет земного типа с орбитальным периодом от 2 до 4 дней. В этом случае «приливная яркость» оказалась в 1000 раз больше, чем у спутника Юпитера Ио, а приливная температура (температура за счёт приливного нагрева) достигала 480 K (≈207 °C).

Такие результаты могут повлиять на стратегию проведения обзоров неба в поисках экзопланет и признаков жизни на них. Теперь будет логично целенаправленно включать в программу и исследования экзолун. Космические телескопы типа Kepler уже зарегистрировали много объектов — кандидатов в экзолуны. Но на сегодня, в отличие от экзопланет, ни одна из таких находок уверенно не подтверждена. Скорее всего, на современном уровне техники наблюдений и обработки данных этого и нельзя сделать с необходимым уровнем надёжности (в статистическом смысле); или же можно, но при очень благоприятном расположении экзопланеты и её спутника и других параметров этой системы.

Обитаемые экзолуны?
Вулканы на ближайшей из галилеевых лун Ио — снимок инфракрасной камеры

Приливный нагрев может стать основой нового метода обнаружения экзолун. Экзолуны сегодня (теоретически) можно обнаружить при помощи метода вторичного транзита. Суть метода в основном такая же, как и при поиске экзопланеты: планета проходит перед диском своей звезды, частично закрывая её свет, и это падение на доли процента мы можем зафиксировать. Вторичный транзит, или вторичное затмение предполагает, что на фоне звезды проходит и экзопланета, и её спутник (экзолуна). В зависимости от фазы экзолуны, то есть конфигурации по отношению к звезде, доля света, который закрывает система, будет разной. Поэтому экзолуны открывают, исследуя эти тонкие вариации световой кривой (подробнее можно об этом прочитать в ранее опубликованном материале). Но если луна сильно разогревается за счёт приливных сил от своей планеты, можно ожидать, что падение яркости световой кривой будет ощутимо больше. Есть и другой эффект, по которому можно обнаружить пока невидимую в телескоп экзолуну. Более нагретый за счёт тех же приливных сил спутник будет выделять в космическое пространство больше летучих соединений вроде калия или натрия из-за вулканизма — это как раз происходит на Ио. Поэтому линии калия и натрия в спектре экзопланеты — неплохой сигнал наличия у неё спутника.

В следующие несколько лет телескопы нового поколения вроде телескопа Джеймса Уэбба будут исследовать атмосферу экзопланет, сочетая спектрометрию, съёмку в инфракрасном диапазоне и сложные алгоритмы адаптивной оптики. С другой стороны, даже будущие наземные телескопы вроде ELT (Extremely large Telescope) Южно-Европейской обсерватории в Чили смогут получать прямые снимки экзопланет. При этом у них появится возможность исследовать и химические «отпечатки» экзолун.

Автор: Сергей Шапиро

Ссылка на источник