Марс может помочь понять «маргинальные» экзопланеты

Фото из открытых источников

Марс занимает особое место в Солнечной системе. Он представляет собой потенциально пригодный для жизни космический объект. Это означает, что он перешел от теплого, влажного и потенциально гостеприимного состояния к холодному, сухому и негостеприимному. Что может рассказать нам этот переход о пригодности экзопланет для жизни?

Новое исследование, которое будет опубликовано в журнале Planetary Science Journal, посвящено этому вопросу. Оно называется «Марс как экзопланета: уроки, полученные на планете, находящейся на грани обитаемости». Ведущий автор — Стивен Кейн, профессор планетарной астрофизики на кафедре наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Риверсайде. Исследование доступно на сервере препринтов arxiv.org.

«Марс — это каноническая небольшая каменистая планета Солнечной системы, которая прошла путь от ранней геологической активности и наличия жидкой воды на поверхности до холодной и засушливой планеты с тонкой, холодной атмосферой, в которой преобладает CO₂», — пишут авторы. «Эволюция Марса в контексте таких планетарных параметров, как размер, масса, атмосфера, поток солнечной радиации, магнитосфера и история столкновений, содержит важные диагностические данные о развитии и устойчивости пригодных для жизни условий на поверхности».

Наши знания о популяции экзопланет за последние годы значительно расширились. В исследованиях экзопланет часто встречаются небольшие каменистые миры, которых больше, чем более крупных газовых планет. Но хотя мы знаем, что их существует большое количество, нам не хватает детального понимания их климата, нестабильного баланса ресурсов и их долгосрочной потенциальной пригодности для жизни. По мнению авторов, Марс может помочь нам понять своих экзопланетных собратьев.

Они отмечают, что, хотя размер является основным свойством каменистых планет и хорошей отправной точкой для их понимания, он не определяет, как планета эволюционирует. «Венера, Земля, Марс и даже Луна прошли различные траектории изменения изменчивости, тектонических процессов и атмосферы, несмотря на то, что находились в одной и той же звездной среде, что показывает, что размер планеты сам по себе не является единственным определяющим фактором ее эволюции», — объясняют они.

В этом исследовании авторы обобщают данные о том, как различные аспекты Марса, включая поступление и потерю летучих веществ, фотохимию, эволюцию климата, магнетизм и другие факторы, могут помочь нам в общем понимании экзопланет и происходящих в них процессов.

«В исследованиях экзопланет часто используются свойства Земли в качестве стандартных единиц измерения, особенно для тех, которые имеют отношение к описанию возможностей методов обнаружения экзопланет», — пишут авторы. Марс обладает многими свойствами, схожими с земными, но именно различия важны в данной работе.

Во-первых, Марс сформировался иначе, чем Земля. Его формирование сначала происходило быстро, а затем остановилось на уровне массы, составляющей менее земную. Авторы описывают его как «застрявший планетарный зародыш», а не как результат более поздних гигантских столкновений.

Масса планеты играет важную роль в её эволюции, что неудивительно. «Марс занимает важное место в сравнительной планетологии, поскольку это одновременно геологически богатый мир с документированной историей обитаемости поверхности и показательный пример того, как небольшие каменистые планеты могут эволюционировать в сторону потери атмосферы и ухудшения климата», — пишут они.

Марс может служить основой для понимания каменистых экзопланет. Один из главных выводов заключается в том, что Марс демонстрирует, что обитаемость планет не является статичным состоянием. Авторы описывают её как «зависящий от времени результат, определяемый конкурирующими процессами».

Например, ранний Марс был вулканическим, и выброшенные летучие вещества образовали плотную атмосферу, которая удерживала тепло. Но по мере охлаждения его недр и прекращения динамо-эффекта, утечка из атмосферы привела к охлаждению и, в конечном итоге, к потере пригодности для жизни. «Эти взаимосвязанные процессы могут определять путь развития, который может быть характерен для планет марсианской массы», — пишут авторы.

Согласно нашим представлениям о Марсе, обитаемость, скорее всего, будет временной, и Земля является редким примером долгосрочной обитаемости. «В этом контексте Марс представляет собой границу обитаемого режима, будучи достаточно большим, чтобы поддерживать кратковременные благоприятные условия, но достаточно малым, чтобы не гарантировать удержание и пополнение атмосферы, а также долгосрочное регулирование климата», — пишут авторы.

Хотя планеты марсианской массы широко обнаружены, эти наблюдения имеют свои недостатки. «Наше обсуждение демографии экзопланет показало, что, хотя планет земного размера много, подтвержденные планеты марсианской массы с хорошо определенными массами и радиусами остаются относительно редкими, в основном из-за недостатков в обнаружении», — пишут авторы. Это изменится, когда начнет работу телескоп Нэнси Грейс Роман и его программа микролинзирования.

По мере того, как мы обнаруживаем все больше планет марсианской массы с точно измеренными параметрами, мы также разрабатываем будущие телескопы, которые будут лучше наблюдать за экзопланетами. «Прямые изображения и исследования теплового излучения, особенно с использованием оборудования следующего поколения, в конечном итоге определят, обычно ли такие планеты имеют тонкую атмосферу из CO2, подвергаются ли они высыханию или демонстрируют временные циклы изменения состава летучих веществ», — объясняют исследователи.

Главная идея заключается в том, что ученые могут использовать полученные знания о Марсе для понимания этих наблюдений. «Марсианские миссии продолжат измерять скорость утечки атмосферы, запасы летучих веществ и климатические обратные связи с уровнем детализации, недостижимым для экзопланет, в то время как исследования экзопланет позволят поместить Марс в контекст более широкой статистической совокупности», — пишут авторы.

Исследователи объясняют, что по мере сближения исследований Марса и изучения экзопланет появится новый эффективный способ лучше понять большое количество небольших каменистых миров. Ученые лучше поймут ключевые свойства экзопланет, такие как масса, необходимая для поддержания геологической активности, например, тектоники плит. Они также лучше поймут звездную среду и то, как она влияет на выживание в атмосфере, а также другие планетарные характеристики, определяющие обитаемость.

«В рамках этой концепции Марс служит фундаментальным ориентиром для оценки разнообразия, эволюции и потенциальной обитаемости каменистых планет во всей Галактике», — заключают авторы.