Космический фильтр: новая модель отсеивает планеты, неспособные удержать атмосферу

Новая модель планетарной обитаемости способна сделать поиск инопланетной жизни более эффективной, быстро выявляя каменистые миры, которые вряд ли способны удерживать атмосферу — необходимое условие для жизни в нашем понимании.

Программный инструмент под названием «Модель обитаемости планет меньше Земли» (STEHM) позволяет астрономам отсеивать экзопланеты до того, как выделять драгоценное наблюдательное время телескопов на детальное изучение. Модель, разработанная исследователями Стэнфордского университета, оценивает, способна ли каменистая планета сформировать и сохранить атмосферу на протяжении миллиардов лет — а это обязательное условие для возникновения жизни, какой мы ее знаем, говорится в заявлении университета.

Перед астрономами, ищущими жизнь за пределами Земли, стоит обескураживающая задача: открыты уже тысячи экзопланет, а миллиарды других, как считается, существуют по всему Млечному Пути — примерно по одной на каждую звезду в галактике. По мере ввода в строй новых мощных телескопов исследователям все острее требуются методы, позволяющие определить, какие именно миры заслуживают более пристального изучения.

«Единственный способ когда-либо выяснить, есть ли там признаки жизни, — это наблюдать за атмосферой этих планет», — заявила ведущий автор исследования Мишель Хилл, разработавшая STEHM.

Традиционно ученые фокусировались на том, находится ли планета в так называемой обитаемой зоне своей звезды — области, где температуры теоретически допускают существование жидкой воды на поверхности. Но одного лишь местоположения недостаточно для гарантии обитаемости. Планета без существенной атмосферы может быть неспособна поддерживать стабильную температуру, защищаться от радиации или сохранять воду на поверхности, отмечают исследователи.

Ниже предела — не жилец

STEHM добавляет к этой оценке второй слой: модель оценивает, способны ли небольшие каменистые планеты генерировать и удерживать атмосферу в геологических масштабах времени. Инструмент связывает размер планеты с ее способностью сохранять атмосферные газы, помогая определить нижний порог размера для потенциально обитаемых миров.

Для создания STEHM Хилл использовала планетарный симуляционный код ExoPlex, чтобы смоделировать шесть каменистых миров размером от половины Земли до полного земного размера, тестируя, как планетарная структура, вулканическая активность, внутреннее тепло и звездное излучение влияют на выживание атмосферы. Модель была проверена с использованием Венеры и Марса: она корректно воспроизвела плотную углекислотную атмосферу Венеры и долгосрочную потерю атмосферы Марсом.

Результаты показывают, что каменистые планеты размером не менее 80% от Земли способны удерживать атмосферу на протяжении 10 миллиардов лет и дольше, находясь в обитаемых зонах вокруг солнцеподобных звезд. Планеты меньшего размера, как правило, теряют атмосферу быстрее, хотя миры около 70% земного размера все еще могут быть обитаемыми при благоприятных условиях. Долговечность атмосферы также сильно зависит от начального содержания углерода и тепловыделяющих элементов, стимулирующих вулканическую активность, что позволяет STEHM служить фильтром, основанным на размере, для выявления наиболее перспективных обитаемых миров.

«Возможно, на других планетах и есть жизнь под землей, но мы никогда не сможем ее увидеть, потому что не можем ничего отправить к этим экзопланетам, — пояснила Хилл. — Лучший шанс, который у нас есть, — это искать признаки жизни, анализируя атмосферы издалека».

Великое молчание и вопрос времени

Сужая круг кандидатов, STEHM может помочь астрономам сосредоточиться на самых многообещающих планетах, избегая траты ресурсов на малоперспективные цели. Такой подход может оказаться особенно полезным по мере того, как миссии нового поколения — например, космический телескоп PLATO Европейского космического агентства — расширяют каталог каменистых экзопланет вокруг ближайших звезд. Исследователи надеются, что модель поможет определить приоритеты: какие из этих планет заслуживают последующих наблюдений.

STEHM не только отвечает на вопрос, где может возникнуть жизнь за пределами Земли, но и на вопрос когда: модель оценивает, способны ли экзопланеты удерживать атмосферу на геологических отрезках времени — а это ключевое условие для того, чтобы жизнь вообще успела возникнуть. И здесь возникает интригующая философская перспектива.

«Возможно, ответ на вопрос, почему мы до сих пор не нашли никакой жизни, заключается в том, что мы слишком рано появились в грандиозной схеме того, что было создано жизнью и смертью звезд, — предположила Хилл. — Возможно, мы — одни из первых».

Эта мысль перекликается с гипотезой, которая в последние годы набирает вес в астрофизическом сообществе: мы молчим не потому, что мы одиноки, а потому, что мы — ранние гости на пиру жизни во Вселенной. Если для возникновения сложной биосферы требуются миллиарды лет стабильной атмосферы, то Земля со своими 4,5 миллиардами лет — возможно, лишь один из первых удачных экспериментов природы. И STEHM, отсеивая миры, не дотянувшие до «атмосферного ценза», неявно очерчивает и временное окно, в котором имеет смысл искать братьев по разуму.

Результаты исследования были опубликованы 4 июня в Planetary Science Journal.

При подготовке статьи использованы заявление Стэнфордского университета, публикация в Planetary Science Journal от 4 июня, а также данные о миссии PLATO Европейского космического агентства.