Космическая погода может кардинально изменить судьбу планеты

Фото из открытых источников

Мы склонны думать об обитаемости в терминах отдельных планет и их потенциала для жизни. Но за исключением исключений, таких как планеты-изгои с внутренним нагревом или ледяные луны с подповерхностными океанами, созданными приливным нагревом, именно отношения экзопланеты/звезды генерируют обитаемость, а не отдельные планеты. Новые исследования подчеркивают этот факт.

Красные карлики известны своими мощными звездными вспышками, которые могут сделать близлежащие планеты непригодными для жизни. Однако даже относительно спокойные звезды, такие как наше Солнце, создают космическую погоду. Солнечные вспышки, звездный ветер и выбросы корональной массы оказывают разное воздействие на разные типы планет. Земля в значительной степени защищена от этих воздействий своей магнитосферой.

Однако в течение длительных периодов космическая погода может оказывать сильное влияние на развитие атмосферы экзопланеты. Новое исследование, которое будет опубликовано в журналах AAS, описывает эти эффекты для климата приливно-захваченных экзопланет. Оно называется «Влияние кратковременных звёздных выбросов на планетарный климат приливно-захваченных экзоземель», а ведущим автором является Говард Чен из Флоридского технологического института.

«Космические погодные явления в планетарных средах, вызванные кратковременными выбросами родительских звезд, включая звездные вспышки, выбросы корональной массы и звездные протонные события, могут существенно влиять на климат экзопланеты и историю эволюции атмосферы», — пишут авторы. «Эти зависящие от времени события также могут влиять на нашу способность измерять и интерпретировать ее свойства, модулируя резервуары ключевых химических соединений и изменяя яркостную температуру атмосферы».

Фотохимия атмосфер экзопланет — хорошо изученная тема, но эта работа стоит особняком от большинства предыдущих исследований. Она использует 3D-модели общей циркуляции, в то время как большинство предыдущих работ опираются на модели с одним столбцом. Модели с одним столбцом фокусируются на вертикальности и на том, как влажность, энергия и импульс в столбцах влияют на атмосферу в одном месте. 3D-модели лучше справляются с имитацией всей атмосферы и включают как вертикальные, так и горизонтальные эффекты. Они включают крупномасштабные эффекты, такие как струйные течения, которые не учитываются в моделях с одним столбцом.

Эта работа посвящена звездным вспышкам и энергичным частицам, которыми они осыпают экзопланеты. Авторы объясняют: «Мы изучаем их воздействие на синхронно вращающиеся планеты, подобные TRAPPIST-1e, в диапазоне пространственно-временных масштабов». TRAPPIST-1e — хорошо известная и часто изучаемая каменистая экзопланета в обитаемой зоне TRAPPIST-1, ультрахолодного красного карлика.

TRAPPIST-1 — хорошо известная и часто изучаемая красная карликовая звезда, вокруг которой находится несколько каменистых экзопланет, три из которых находятся в потенциально обитаемой зоне. Кредит изображения: NASA.

Данные миссии NASA Kepler показывают, что энергия и амплитуда звездных вспышек не сильно различаются между звездами F, G и K-типа. Однако частота вспышек и их спектральное распределение сильно различаются в зависимости от типа звезды. Вспышки с одинаковой энергией могут иметь разное спектральное распределение, что означает, что некоторые из них могут излучать относительно безвредный оптический свет, в то время как другие могут излучать рентгеновские лучи и ультрафиолет. Спектральное распределение связано с глубинными процессами в звезде, такими как активность в магнитосфере и хромосфере.

Известно, что такие звезды, как TRAPPIST-1, имеют высокие уровни магнитосферы и хромосферы в течение миллиардов лет, что может генерировать супервспышки . «Это может влиять на атмосферные среды близких экзопланет в длительных временных масштабах, вызывая потерю воды посредством фотолиза и утечку водорода», — пишут авторы.

Вспышки генерируют энергичные частицы, которые могут вызвать внезапное охлаждение в термосфере экзопланеты посредством радиационного охлаждения оксида азота (NO) и углекислого газа. Эти молекулы возбуждаются энергичными частицами из звездных вспышек и высвобождают эту энергию в инфракрасном диапазоне, что имеет чистый охлаждающий эффект.

В средней и нижней атмосфере молекулы, такие как вода и закись азота (N 2 0), поглощают инфракрасную энергию и оказывают согревающий эффект. Интенсивные звездные вспышки могут оказывать мощное согревающее действие в средней атмосфере, создавая ветры со скоростью 40 метров в секунду (144 км/ч) на поверхности звезды вблизи линии терминатора.

На этом рисунке показано, как вспышка может влиять на скорость ветра в четырех случаях звездной вспышки: черный цвет — для спокойной звезды, синий — для умеренно вспыхивающей звезды, красный — для активно вспыхивающей звезды, а желтый — для чрезвычайно активно вспыхивающей звезды. Кредит изображения: Chen et al. 2025.

Исследование показывает, что звездные вспышки не только изменяют фотохимию атмосфер, но и могут менять схемы циркуляции. Это может распространять молекулярные виды и тепло по планете способами, которые были бы невозможны без вспышек.

«Наши методы трехмерного моделирования и анализа открывают новые возможности понимания того, как планеты вокруг активных и вспыхивающих звезд могут испытывать усиленные климатические аномалии», — пишут авторы в своем заключении. «Наши результаты показывают, что, помимо инициирования ключевых путей фотохимических реакций и вызывания фотохимического дисбаланса, крупные звездные события могут влиять на динамику атмосферы и даже изменять режим циркуляции планет в самых экстремальных сценариях».

Хотя многие исследования показывают, что рентгеновское и EUV-излучение от звезд может иметь драматические фотохимические эффекты, не все экзопланеты подвергаются их воздействию. Для экзопланет, которые не подвергаются, это исследование показывает, что "... кратковременные звездные излучения могут быть доминирующим каналом, через который осуществляется динамика субзвездных атмосфер".

Исследование показывает, что наиболее восприимчивыми экзопланетами являются те, которые вращаются вокруг молодых звезд с повторяющимися звездными вспышками. «Наши результаты показывают, что последовательные, более энергичные извержения молодых звезд могут быть ключевым фактором в определении динамики атмосфер их планет», — объясняют исследователи в своей статье.

«Таким образом, атмосферы планет вокруг звезд со спорадическими, а не последовательными извержениями (что дает больше времени между каждым событием для фотохимического восстановления химических веществ, таких как озон), вероятно, будут испытывать наибольшую степень изменчивости. Эти кандидаты, вероятно, будут располагаться вокруг умеренно активных звезд», — заключают авторы.

Эффекты, описанные в статье, могут иметь глубокие последствия для планет земной группы в долгосрочной перспективе, изменяя термическую эволюцию их атмосфер. Авторы объясняют, что их результаты имеют значение для предстоящих миссий, которые будут напрямую получать изображения экзопланет, поскольку эти миссии могут быть способны исследовать «находящиеся под влиянием астрофизики погодные системы на планетах в обитаемой зоне». Эти миссии включают предлагаемую Обсерваторию Обитаемых Миров и Большой Интерферометр Для Экзопланет.