Ученые обнаружили, что приливно-зависимые экзопланеты, которые когда-то считались слишком экстремальными для жизни, могут таким образом перераспределять тепло под своей поверхностью таким образом, что представляют собой более пригодные для жизни регионы. Фото: AI/ScienceDaily.com
Экзопланета LHS 3844b, чьи размеры незначительно превышают земные, обращается вокруг красного карлика LHS 3884, удаленного от нашей Солнечной системы на 48,5 световых лет. В отличие от Земли, она пребывает в состоянии приливной блокировки: период её вращения вокруг собственной оси в точности совпадает с орбитальным периодом. Подобный механизм приводит к тому, что одно полушарие неизменно освещено палящим дневным светом, тогда как другое погружено в вечную тьму, температура которой может опускаться до абсолютного нуля (0 Кельвинов).
На первый взгляд, такая экстремальная среда кажется совершенно негостеприимной. Температуры на дневной стороне способны достигать примерно 1000–2000 Кельвинов, в то время как ночное полушарие столь холодно, что движение частиц там практически прекращается. Однако, как показывают недавние исследования, эти миры, возможно, не столь враждебны жизни, как считалось прежде.
«Просто глядя на экстремальные температуры на дневной и ночной сторонах — например, 1000–2000 Кельвинов на дневной стороне и абсолютный ноль на ночной — можно прийти к выводу, что эти экзопланеты слишком суровы для жизни. Но, — отмечает Дайсуке Ното, научный сотрудник Пенсильванской лаборатории GEFLOW под руководством Хьюго Уллоа в Пенсильванском университете, — жизнь может найти выход».
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, Ното совместно с коллегами из Японского агентства по морским наукам и технологиям и Университета Хоккайдо обнаружили, что такие экзопланеты могут быть более терпимыми для возникновения жизни. «Приливная блокировка, — утверждают ученые, — может обеспечить сохранение умеренной атмосферы на местном уровне, что способствует распределению теплового потока в поперечном направлении».
Почему так часто встречаются экзопланеты с приливной блокировкой
Полученные результаты бросают вызов распространенному предположению о планетах, которые всегда обращены к своим звездам одной и той же стороной. По словам Ното, миры с вечным днем и ночью на самом деле встречаются гораздо чаще, чем такие планеты, как Земля, испытывающие регулярный цикл дня и ночи. «Многие небесные тела, такие как луны и планеты, находящиеся очень близко к своим родительским звездам, пребывают в состоянии, которое мы называем приливно-зависимым, — поясняет он. — Это означает, что когда они вращаются вокруг своих осей и обращаются вокруг своих родителей, эти скорости и частоты совпадают, что приводит к таким явлениям, как, например, когда мы наблюдаем только одну сторону нашей Луны».
Эта постоянная ориентация создает резкий температурный контраст по всей планете. Вместо того чтобы сосредотачиваться исключительно на поверхностных условиях, исследователи стремились понять, что происходит глубоко внутри планеты, особенно в мантии — толстом скалистом слое между корой и ядром.
Воссоздание чужой планеты в лаборатории
Вместо того чтобы полагаться только на компьютерное моделирование, команда создала физическую лабораторную модель, имитирующую внутреннюю часть планеты, находящейся в приливном состоянии. «Создание настоящей экзопланеты в лаборатории не входило в бюджет», — шутит Ното.
Вместо этого исследователи использовали настольный прямоугольный резервуар, заполненный вязким глицерином и микроскопическими термохромными жидкими кристаллами, которые меняют цвет при изменении температуры. Подобные экспериментальные системы уже давно применяются для изучения того, как тепло распространяется через медленное движение материалов, что делает их полезными для моделирования скалистых недр планет. В отличие от погоды или океанских течений, которые сильно зависят от вращения Земли и гравитации, конвекция внутри скалистой мантии обусловлена главным образом разницей в температуре и плотности. Чтобы воспроизвести эти условия, команда установила вокруг резервуара четыре термостата для нагрева и охлаждения в различных зонах, создав температурные градиенты, аналогичные тем, что существуют между постоянно освещенным полушарием, постоянно темным полушарием, поверхностью и внутренними недрами приливно-зависимой экзопланеты.
p> Планетарный тепловой двигатель
Эксперименты показали удовлетворительную стабильную картину. Горячий материал медленно поднимался под дневную сторону, протекал через верхнюю область, охлаждался, достиг ночной стороны, затем опускался, прежде чем вернуться через нижнюю мантию. В результате возникла одна непрерывная циркуляционная петля, которая вела себя как устойчивое планетарное сердцебиение.
"Это не хаотично, как мантия Земли," Ното говорит. «Это медленно и продолжительно. Предсказуемый. Немного скучно, но в хорошем смысле».
Исследователи также наблюдали случайные грибовидные шлейфы, поднимающиеся из нагретого дна резервуара. В отличие от вулканических самых крайних точек Земли, таких как под Гавайями или Исландией, эти шлейфы постоянно неподвижны в одном месте и не дрейфовали с течением времени.
Измерения переноса тепла, такие как числа Нуссельта, были связаны с теми, которые наблюдались на мантии Земли. Это открытие предполагает, что на некоторых экзопланетах, находящихся в приливном режиме, может сохраняться локальнованная геотермальная среда, обеспечивающая условия, благоприятные для жизни, особенно в более умеренных средних широтах.
Что это может означать для инопланетной жизни
Большая циркуляция может влиять не только на температуру поверхности. Но то, что это также может быть связано с движением жидкого ядра планеты, обеспечивает создание магнитных полей, которые имеют форму знакомого дипольного поля Земли.
«Это то, что мы не смогли проверить в этом эксперименте», — сказал он. — говорит он, — «но это захватывающее направление для будущей работы».
Взгляд за границы других миров
Ното и Уллоа продолжают разрабатывать аналогичные лабораторные модели для исследования широкого спектра геофизических процессов. Более ранние исследования пенсильванской лаборатории GEFLOW огромны, поскольку тепло и масса движутся в замкнутых пространствах, что приводит к появлению нового солнечного света в роли жидкостей в гидротермальных системах.
«Мы рекомендуем и далее расширяем экспериментальные методы для более глубокого изучения различных систем на нашей планете в разных контекстах. Возможности в буквальном смысле нереальные», — сказал он. — говорит Ното.
Дайсуке Ното — научный сотрудник Школы искусств и amp; наук в Пенсильванском университете.
Хьюго Уллоа — доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде в Penn Arts & наук.
Среди других авторов — Такехиро Миягоши и Такатоши Янагисава из Японского агентства морских наук и технологий о Земле; и Томоми Терада и Юджи Тасака из Университета Хоккайдо.