Фигура. 1: Представление художника о расплавленной поверхности молодой каменистой планеты, реагирующей с ее первичной атмосферой с образованием водяного пара. Предоставлено: Тадахиро Кимура

Недавние исследования экзопланет были сосредоточены на открытии каменистых планет умеренного пояса, таких как Земля, которые часто называют обитаемыми планетами. Большинство недавних миссий нацелены на звезды холоднее Солнца. Такие звезды известны как красные карлики или звезды М-типа, которых очень много в окрестностях Солнца.

Умеренная инсоляция и достаточное количество морской воды необходимы для поддержания умеренного климата на планете. Однако предыдущие модели формирования планет предсказывают, что частота появления планет, удовлетворяющих таким условиям, вокруг звезд М-типа невелика. Новое моделирование, проведенное Тадахиро Кимурой, докторантом Токийского университета, и профессором Масахиро Икома из отдела науки NAOJ, сосредоточилось на формировании богатой водородом атмосферы из протопланетного диска и производстве воды посредством реакции между атмосфера и магматический океан.

Они разработали новую модель формирования планет и, таким образом, предсказали количество морской воды, которое будет иметь экзопланеты, вращающиеся вокруг звезд М-типа. В результате их оценка показывает, что несколько процентов планет с земными радиусами и инсоляцией, вращающимися вокруг звезд М-типа, имеют умеренное количество морской воды. Это говорит о том, что открытие планет с умеренным климатом в ближайшее десятилетие вероятно. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy 29 сентября.

С момента первого обнаружения в 1995 году было обнаружено более 5000 планет, вращающихся вокруг звезд, отличных от Солнца (экзопланет). Обнаружение такого большого количества экзопланет показало, что планетные системы обычно существуют во Вселенной. С другой стороны, также стало ясно, что экзопланеты разнообразны по размеру, составу, удаленности от центральной звезды и инсоляции.

Среди обнаруженных до сих пор планет есть много планет размером с Землю. Имеет ли какая-либо из них умеренный климат, как на Земле, представляет большой интерес. Вода необходима для жизни на Земле, но вода также играет важную роль в климате. Известно, что для поддержания умеренного климата требуется умеренное количество звездной радиации, а также океан с умеренным количеством воды.

Современная Земля способна поддерживать теплый климат за счет функционирования углеродного цикла с тектоникой плит и континентальным выветриванием; если бы количество океанической воды было в несколько десятков раз больше, чем на Земле, круговорот углерода был бы ограничен, что привело бы к чрезвычайно жаркому или холодному климату.

Распространено мнение, что современные океаны Земли были доставлены водоносными скалистыми или ледяными телами. Предыдущие исследования, применявшие эту идею к экзопланетам вокруг звезд М-типа, привели к предсказанию, что планеты с умеренным содержанием воды редки, предполагая, что, хотя звезды М-типа являются основной целью будущих поисков пригодных для жизни планет , маловероятно, что обитаемые планеты будут найдены.

С другой стороны, производство воды в аккумулирующей атмосфере было предложено в качестве альтернативного процесса получения воды в предыдущих исследованиях профессора Икома и его коллеги. Как правило, когда планета растет в протопланетном диске , она гравитационно получает газ из диска и образует атмосферу, состоящую в основном из водорода.

Кроме того, каменистая поверхность растущей планеты считается расплавленной из-за тепла небесных столкновений (см. рис. 1); а именно, планета покрыта океаном магмы. В это время химическая реакция между атмосферным водородом и оксидами в океане магмы привела к образованию воды. Принимая во внимание последствия такой водообразующей реакции, можно сформировать планету, более богатую водой, чем в обычных теоретических моделях.

Рисунок 2: Распределение радиусов орбит и масс планет, образовавшихся вокруг 10 000 звезд М-типа (0,3 массы Солнца). Цвет каждого символа представляет собой массовую долю первичной атмосферы планеты. Пунктирными прямоугольниками обозначены области планет с массой, близкой к Земле, в обитаемой зоне. Предоставлено: Национальная астрономическая обсерватория Японии.

Количество водосодержащих пород, получаемых планетой, и количество воды, получаемой в результате реакций образования воды, сильно зависят от процесса формирования планеты. В этом исследовании Тадахиро Кимура и Масахиро Икома разработали новую модель синтеза планетарного населения для переоценки частоты водных планет во внесолнечных системах вокруг звезд М-типа.

Модель отслеживает рост массы и орбитальную эволюцию планет на основе последних теорий формирования планет и может рассчитать количество воды, приобретаемой в процессе. В дополнение к рассмотренному ранее приобретению водосодержащих пород модель также по-новому включает эффект образования воды в первичной атмосфере.

Численное моделирование с использованием этой модели показывает, что в разных местах образуется большое разнообразие планет разных размеров и атмосферных масс (см. рис. 2). Расчетное содержание воды для планет в обитаемой зоне показано на рис. 3.

Рисунок 3: Вероятностное распределение массовых долей морской воды для планет земной массы (0,3-3 массы Земли), расположенных в обитаемой зоне вокруг звезд М-типа (0,3 массы Солнца). Зеленый – результат расчетов по традиционной модели, учитывающих только приобретение водоносных пород. Оранжевый результат, когда используется модель настоящего исследования и учитывается эффект производства воды в первичной атмосфере. Пунктирная линия — современное количество морской воды на Земле. Предоставлено: Национальная астрономическая обсерватория Японии.

Как показано на рисунке, экзопланеты, вращающиеся вокруг звезд М-типа, могут удерживать очень различное количество воды, когда работает производство воды в первичной атмосфере. Некоторые из этих планет сформировались с таким же количеством морской воды, что и Земля. Большая часть морской воды на этих планетах поступает за счет образования атмосферных вод. Анализ вычислительных данных привел к предсказанию, что несколько процентов планет с планетарным радиусом от 0,7 до 1,3 радиуса Земли сохраняют достаточное количество воды для поддержания умеренного климата (примерно в 0,1–100 раз больше, чем на Земле), содержание морской воды.

Ожидается, что около 100 планет размером с Землю будут обнаружены в обитаемой зоне вокруг звезд М-типа в текущих и будущих программах исследования экзопланет, таких как TESS и PLATO. Результаты этого исследования предсказывают, что некоторые из этих планет будут водными планетами с земным теплым климатом.

Наблюдения атмосферных спектров экзопланет с помощью инфракрасных космических телескопов JWST и Ariel также позволят выявить присутствие в атмосфере молекул воды и других элементов. Ожидается, что эти наблюдения подтвердят теоретические предсказания этого исследования и приведут к лучшему пониманию процесса формирования водных планет, таких как Земля.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org