Ученые объяснили, насколько вероятны обитаемые экзолуны

Фото из открытых источников

Из примерно 6000 экзопланет, которые мы обнаружили, значительное число находится в видимых обитаемых зонах своих звезд. Большинство из них — гигантские планеты: либо газовые гиганты, такие как Юпитер и Сатурн, либо ледяные гиганты, такие как Уран и Нептун. Могут ли некоторые из них иметь обитаемые экзолуны?

Никакая жизнь не могла бы существовать на гигантских планетах нашей Солнечной системы. Однако некоторые из их лун стали главными целями в поисках жизни. Это приводит к естественному вопросу: могут ли гигантские экзопланеты в обитаемых зонах вокруг других звезд иметь обитаемые луны?

Астрономы обнаружили только соблазнительные намеки на экзолуны, хотя их существование практически гарантировано. Теория показывает, что формирование лун — естественный процесс. Поиск экзопланет — сложная задача, хотя мы к этому уже привыкли, а поиск их лун — еще более сложная задача.

Исследователи из Венгрии и Нидерландов хотели изучить, как экзолуны могут формироваться вокруг далеких гигантских планет, чтобы получить представление об их существовании. Их исследование называется будет опубликовано в Astronomy and Astrophysics. Ведущий автор — Золтан Денч из Исследовательского центра астрономии и наук о Земле HUN-REN.

«Мы стремимся изучать формирование лун вокруг гигантских планет в фазе, похожей на финальную сборку формирования планет», — пишут авторы. «Мы ищем условия для формирования самых больших лун с наибольшей вероятностью в околопланетных дисках и исследуем, могут ли полученные луны быть пригодными для жизни».

Все начинается с околопланетных дисков, вращающегося набора материала, который остается после формирования планеты. Исследователи использовали моделирование, чтобы определить, какая часть этого материала может успешно образовывать луны. В этом случае исследователи сосредоточились на самых массивных лунах.

«Мы определили долю массы околопланетного диска, преобразованную в луны, используя численное моделирование N-тел, где лунные эмбрионы растут посредством столкновений эмбрионов и малых спутников», — пишут исследователи. Они исследовали диски вокруг гигантских планет, где 100 лунных эмбрионов взаимодействуют с 1000 малыми спутниками. Планеты представляли собой 461 известную гигантскую экзопланету из базы данных экзопланет.

Зона обитания для планет зависит от звездного излучения, исходящего от звезды. При достаточном количестве энергии жидкая вода может сохраняться на поверхности планеты, при условии правильных атмосферных условий и других факторов. Для лун формула немного другая. В нашей Солнечной системе ледяные луны, такие как Европа и Энцелад, вероятно, имеют жидкую воду под замерзшей шапкой, но тепло исходит от приливного изгиба. Исследователи включили это тепло в свои моделирования.

«Чтобы определить обитаемость синтетических лун, мы рассчитали звездное излучение и приливной тепловой поток на этих лунах на основе их орбитальных и физических параметров», — объясняют авторы. «Глобальный поток энергии на лунах может существенно зависеть от приливного нагрева, который возникает из-за приливной диссипации энергии взаимодействия планета-луна».

Как показывает наша Солнечная система, приливной нагрев становится тем значительнее, чем дальше находится луна от своей звезды.

Моделирование команды включало околопланетные диски в заключительной фазе формирования луны. Для простоты они включали только каменистые тела и диски без газа. «Диски состоят из лунных эмбрионов, встроенных в рой сателлитималей, и единственная сила, учитываемая в расчетах, — это гравитация», — пишут они. Все объекты — звезда, планета, эмбрионы и сателлитималей — взаимодействуют гравитационно. Моделирование допускало столкновения эмбрионов с эмбрионами или эмбрионов со сателлитималями, но не столкновения между сателлитималями. Они также включали горячие и холодные диски и другие факторы, такие как эксцентриситет и наклон эмбрионов и сателлитималей.

Поскольку тела в симуляции реагировали друг с другом, было получено четыре различных результата.

В первом результате объекты объединяются и суммируют свои массы. Во втором случае планета аккрецирует объект. В третьем случае тело аккрецируется звездой. В четвертом случае тело выбрасывается из системы. Только первый результат формирует экзолуны.

Моделирование включало две временные шкалы: количество планетарных орбит вокруг звезды и количество орбит протоспутников в околопланетном диске. Первая — звездно-центрированная (SC), а вторая — плането-центрированная (PC).

Первый вопрос касается потери массы. Сохраняют ли диски достаточно массы для формирования обитаемых лун? Исследователи обнаружили, что весь околопланетный диск теряет массу с течением времени. По мере того, как некоторые эмбрионы становятся более массивными, их возмущения рассеивают массу из диска, уменьшая общую массу эмбриона.

Самая значительная потеря массы происходит, когда экзолуны находятся в холодных дисках в пределах 1 а.е. от звезды, как показано на панели A выше. В этой ситуации диск теряет от 30% до 40% своей массы. Панель B показывает, что хотя эмбрионы теряют массу в планетоцентрической симуляции, это не так экстремально. Они сохраняют более 90% своей первоначальной массы.

Моделирование дает гораздо больше деталей, но результаты показывают, что экзолуны должны формироваться и оставаться в околопланетных дисках вокруг гигантских планет. И это несмотря на потерю массы, выбросы и эмбрионы, поглощенные звездой или планетой.

По мере увеличения расстояния до звезды число лун увеличивается. Однако их начальные массы уменьшаются. По мере увеличения массы экзолун все большее их количество теряется из-за звездной кражи. «Благодаря этим двум факторам самая высокая эффективность формирования лун наблюдается для планеты, вращающейся на расстоянии двух а.е. от звезды», — пишут авторы.

Обитаемость — отдельный вопрос, и моделирование дало некоторые интересные результаты.

За пределами примерно одной а.е. приливное нагревание становится основным источником нагрева для обитаемых экзолун. Моделирование также показало, что за пределами двух а.е. количество обитаемых экзолун резко уменьшается, поскольку зона обитания сокращается. «Оптимальное расстояние для обитаемости находится между 1−2 а.е. звездными расстояниями», — объясняют исследователи.

Они также обнаружили, что количество экзолуний увеличивается с увеличением расстояния до звезды. Однако их массы слишком малы, что делает их непригодными для жизни.

«Мы изучили обитаемость предполагаемых аналоговых лун Земли вокруг 461 известной гигантской экзопланеты, отобранных по массе», — пишут исследователи. «Наши моделирования показывают, что луны с массами между Марсом и Землей могли бы формироваться вокруг планет с массами примерно в 10 раз больше масс Юпитера, и многие из этих лун могли бы быть потенциально обитаемыми на расстоянии 1−2 а.е. от звезды».

Исследование показывает, что при поиске обитаемости мы должны расширить сферу своего исследования, включив в нее не только скалистые экзопланеты с обитаемой зоной. Мы должны начать поиск обитаемых экзолуний на больших расстояниях от их звезд. «Эти местоположения предоставляют подходящие цели для открытия обитаемых экзолуний или экзолуний в целом», — пишут авторы.

Астрономы не добились больших успехов в обнаружении экзолуний, хотя есть несколько кандидатов. Однако мы можем быть на грани первоначального подтверждения. Исследовательская группа астрономов использовала JWST для изучения кандидатов на экзолунии, но пока не опубликовала свои результаты. Предстоящая миссия ESA PLATO также может обнаружить некоторые экзолунии.

Хотя на данный момент у нас есть только результаты моделирования, кажется невозможным, что наша Солнечная система — единственная, у которой есть луны. Экзопланеты тоже должны существовать. До запуска Кеплера мы ожидали множества открытий. Теперь мы готовы узнать гораздо больше о популяции экзолун. Основываясь на этом исследовании, мы можем ожидать, что некоторые из этих экзолун будут находиться в обитаемых зонах.

«Мы приходим к выводу, что околозвездная обитаемая зона может быть распространена на луны вокруг планет-гигантов», — пишут авторы.