Пыль в атмосфере экзопланет расширит обитаемую зону и скроет биомаркеры

Присутствие минеральной пыли в атмосфере землеподобной экзопланеты может оказать большое влияние на ее пригодность для жизни, сообщается в Nature Communications. На небесных телах, находящихся в приливном захвате, пыль, вероятно, будет охлаждать дневную сторону и согревать ночную, что должно значительно расширить обитаемую зону. С другой стороны, присутствие пыли в атмосфере может создать сложности при исследовании планет, так как она будет скрывать некоторые биомаркеры — вещества, указывающие на потенциальное присутствие живых организмов. Обитаемой зоной называют область в космосе, которая наиболее благоприятна для существования известных нам форм жизни. Планета, орбита которой лежит внутри этой зоны, может содержать на своей поверхности жидкую воду — необходимый растворитель во многих биохимических реакциях. Поэтому границы обитаемой зоны рассчитываются, в первую очередь, на основе ключевых характеристик материнской звезды, таких как светимость и болометрическая звездная величина. Присутствие минеральной пыли в атмосфере землеподобной экзопланеты может оказать большое влияние на ее пригодность для жизни, сообщается в Nature Communications. На небесных телах, находящихся в приливном захвате, пыль, вероятно, будет охлаждать дневную сторону и согревать ночную, что должно значительно расширить обитаемую зону. С другой стороны, присутствие пыли в атмосфере может создать сложности при исследовании планет, так как она будет скрывать некоторые биомаркеры — вещества, указывающие на потенциальное присутствие живых организмов.

Визуализация трех компьютерных симуляций каменистых экзопланет, показывающая ветер (стрелки) и пыль в воздухе (цвет)

Обитаемой зоной называют область в космосе, которая наиболее благоприятна для существования известных нам форм жизни. Планета, орбита которой лежит внутри этой зоны, может содержать на своей поверхности жидкую воду — необходимый растворитель во многих биохимических реакциях. Поэтому границы обитаемой зоны рассчитываются, в первую очередь, на основе ключевых характеристик материнской звезды, таких как светимость и болометрическая звездная величина.

Ян Бутл (Ian A. Boutle) из Экстерского университета вместе с коллегами решил выяснить, как на потенциальную обитаемость экзопланет будет влиять присутствие пыли в атмосфере. В частности, астрономов интересовали каменистые планеты, которые вращаются у красных карликов, это самый распространенный тип звезд в Млечном Пути и многих других галактиках. Например, самая близкая к нам звезда Проксима Центавра и звезда Барнарда, расположенная в шести световых годах от Земли, классифицируются как красные карлики спектрального класса М.

Так как красные карлики — очень маленькие и тусклые звезды, их обитаемая зона расположена довольно близко и небесные тела в ней часто оказываются в приливном захвате, то есть всегда обращены одной стороной к звезде. Из-за этого дневная сторона планеты очень сильно разогревается, в то время как ночная, наоборот, оказывается холодной.

Авторы работы провели серию компьютерных симуляций, в которых рассмотрели две планеты в обитаемых зонах: находящегося в приливном захвате близнеца Проксимы b, вращающегося вокруг красного карлика, и «свободного» близнеца Земли, вращающегося вокруг желтого карлика. Изначально каждое из небесных тел было покрыто водой, но постепенно доля суши увеличивалась, что имитировало испарение океана.

Расчеты показали, что по мере высыхания воды в атмосферу планет будет попадать все большее количество минеральной пыли. На близнецах Проксимы b она будет сдерживать парниковый эффект, связанный с испарением воды, что переместит внутренний край обитаемой зоны ближе к родительской звезде. Кроме того, ее внешний край, как показывают симуляции, также будет расширяться. Это связано с тем, что на планетах в приливном захвате пыль сильные ветры будут переносить пыль с дневной стороны на ночную, где она будет охлаждаться, отдавая тепло окружающему пространству.

На похожих на Землю планетах подобного эффекта не наблюдалась. Как сообщается в исследовании, на небесных телах с несинхронным вращением минеральная пыль будет сдвигать и внешнюю, и внутреннюю границу обитаемой зоны ближе к звезде.

Схематическое изображение воздействия пыли на климат планет. a — планета в приливном захвате, b — планета с несинхронным вращением, a – d показывают базовое состояние планет, e – h показывают изменения, связанные с перемещением пыли, i – j показывают конечный результат ее воздействия на климат планеты

Чтобы определить, как будут выглядеть близнецы Проксимы b с минеральной пылью в атмосфере для телескопов, астрономы провели дополнительную симуляцию. Модельные спектры показали, что присутствие пыли может помешать обнаружению некоторых биомаркеров — в частности метана, озона и кислорода.

Несмотря на большое количество факторов, которые необходимо учитывать при оценке жизнепригодности планет, рассчитать зону обитаемости для звезд-одиночек довольно просто. Гораздо сложнее определить зону обитаемости у двойных светил. Так, астрономы недавно показали, что обитаемая зона в двойных системах может растянуться, если два светила подойдут близко друг к другу. Такое событие может произойти в результате сближения с другой, третьей звездой.

Новая техника получения изображений может помочь открыть землеподобные планеты

Одной из главных проблем астрофизики является обнаружение землеподобных планет вокруг других звезд – мест, где может существовать жизнь. Обычные телескопы плохо пригодны для получения в результате прямых наблюдений изображений настолько малых объектов, поскольку свет родительской звезды обычно мешает наблюдать относительно менее интенсивный свет возможной планеты.

Однако новая разработка в области получения космических изображений может помочь решить эту проблему.

В исследовании, возглавляемом астрофизиком Даниэлем Батчелдором из Технологического университета Флориды, США, показано, что устройство с инжекцией заряда (charge injection device, CID) способно различать свет, идущий от объектов, яркость которых в десятки миллионов раз ниже яркости другого объекта, находящегося на одном с ними изображении. Экзопланета, лежащая рядом с яркой звездой, является именно таким случаем. Эта способность прибора обусловлена особенностью механизма его работы, состоящей в том, что каждый пиксель матрицы работает независимо от другого и использует специальную систему индексирования. Обращение к очень ярким пикселям происходит очень быстро, в то время как тусклые пиксели продолжают собирать более тусклый свет.

Используя грант, полученный от Американского астрономического общества, Батчелдор и его команда провели исследование, оснастив устройством CID 0,8-метровый телескоп Ortega Технологического университета Флориды. Исследователи смогли запечатлеть объекты, яркость которых в 70 миллионов раз меньше, по сравнению с яркостью Сириуса, самой яркой звезды ночного неба. По результатам исследования эффективность устройства оказалась в 1000 раз выше, если сравнивать с существующими камерами для получения изображений объектов ночного неба.

«Если эта технология будет включена в состав будущих космических миссий, то она позволит нам сделать важные открытия, которые могут дать ключи к более глубокому пониманию нашего места во Вселенной», – сказал Батчелдор.