Исследователи нашли новую связь между вращением планет и их климатом

2018 год стал прорывным в контексте публикаций, посвященных анализу пригодности к жизни уже открытых планет и экзопланет. Это связано с тем, что огромный массив данных из почти 4 000 экзопланет, открытых ныне, стал доступным для других исследователей и общественности. В апреле ученые из Нью-Йоркского и Калифорнийского университета опубликовала работу, в которой они рассмотрели 147 звездных систем, содержащих “тяжелые” планеты. Представленные в исследовании планеты имели массу от 10 до 1 000 масс Земли. Выборка охватила не только аналоги Юпитера, но и “сверхземли“.

“Зона пригодности к жизни” – это воображаемое кольцо вокруг звезды, внутренний край которого соответствует максимальному количеству энергии, которую планета может получить от звезды и иметь климат, пригодный для живых существ. Внешний край этого воображаемого кольца – это максимальное расстояние, на котором планета не превращается в сплошную ледяную сферу.

Как на нас влияют другие планеты?

Попасть в эту зону планете земной массы не так уж и просто. Тяжелые планеты время от времени мигрируют внутри системы, и для менее массивных планет это может закончиться катастрофой: они могут столкнуться с ними, их могут вытолкнуть из системы или оттолкнуть к звезде, или их орбита может измениться на такое расстояние, что лежит вне “зоны пригодности к жизни”.
И даже если тяжелые планеты не мигрируют, их гравитация все равно влияет на близкие к ним и меньшие по размеру тела. Если же землеподобная планета останется на месте, у нее под влиянием планет-гигантов может меняться орбита.

Земля находится достаточно далеко от массивных тел. Ее эксцентриситет меняется в пределах 0…0,06 в течение миллионов лет. Однако даже это вызывает так называемые циклы Миланковича, которые за последние миллионы лет привели к нескольким оледенениям на Земле.

Поэтому исследователи построили для каждой из 147 систем модели поведения гипотетической землеподобной планеты в зоне, пригодной к жизни. Хотя окончательно неизвестно, как быстро климат на планете меняется во время изменения ее орбиты. Поэтому на самом деле, для каждой из планет было построено три модели. Одна – для планеты с “нулевой климатической инерцией, вторая – для планеты, на которой климат меняется с определенной задержкой, и третью – для планеты, на которой при изменениях орбиты климат меняется чрезвычайно медленно.

“Горячие Юпитеры” могут быть добрыми соседями

Как и следовало ожидать, для большинства моделей близость массивной планеты сужает “реальную зону пригодную к жизни”. То есть пространство, в котором могут существовать орбиты планет, похожих на Землю, оказывается значительно меньшим, чем этого можно ожидать, исходя из светимости звезды. Это справедливо для большинства “теплых” (то есть таких, что находятся внутри “зоны пригодности к жизни”) и “холодных” тяжелых планет.

Но когда климатическая инерция планеты очень велика (то есть она имеет свойство “накапливать” тепло от звезды), “горячие” или “холодные” массивные соседи, которые находятся на орбитах, близких к круговым, могут никак не влиять на пригодность планеты к жизни. А “горячие Юпитеры”, особенно если они находятся в приточном взаимодействии со звездой (то есть всегда повернуты к ним одной стороной) могут вообще “расширять” зону, где может существовать жизнь.

Это исследование очень важно по той причине, что мы до сих пор можем увидеть землеподобную планету на значительно меньшем расстоянии от нас, чем планету-гигант. Но теперь мы получили достаточно надежный инструмент для оценки перспективности той или иной системы.

Циклы Миланковича

Вскоре вышло исследование Рассела Дейтрика из Бернского университета, который напомнил всем, что помимо эксцентриситета орбиты у экзопланет также имеется наклон оси вращения к плоскости орбиты. И этот параметр влияет на то, не превратится ли землеподобная планета в лед.

Упомянутые циклы Миланковича зависят не только от изменения эксцентриситета. На эти периодические изменения накладываются циклы прецессии орбиты Земли, циклы изменения оси наклона Земли под воздействием других планет и смещение перигелия земной орбиты.

Модель того, как это может происходить на других планетах, и как от того изменяется ледяной покров и разрабатывал Дейтрик. Его работа содержит множество решений для отдельных случаев. Например, он установил, что когда наклон оси достигает 35 градусов, и в это время из-за большого эксцентриситета происходит ледниковый период, то этот ледниковый период не является стабильным. Если эксцентриситет при этом продолжает расти, то ледники будут неконтролируемо увеличиваться пока не покроют всю поверхность планеты. Если же эксцентриситет уменьшается, то ледники почти мгновенно исчезают.

Моделирование также подтвердило огромную роль тепловой инерции планеты в формировании климата. Планеты с тонкими атмосферами и узкими морями склонны к более хаотическим изменениям климата, вызванных наименьшими изменениями орбиты или оси наклона. В то же время крупные планеты, покрытые водой и массивной атмосферой, демонстрируют относительно низкую чувствительность к этим изменениям.

Стабильные зоны пригодности к жизни

Исследователи также установили, что хотя на Земле влияние изменения наклона оси на формирование ледяных щитов значительно больше, чем влияние изменения эксцентриситета орбиты, это не является общим правилом, а объясняется весьма незначительным эксцентриситетом орбиты Земли.

На других планетах, где эксцентриситет больше, все может идти совсем иначе. Уже при эксцентриситете орбиты 0,1-0,3, при котором орбита планеты якобы не выходит за пределы зоны, пригодной для жизни, основным фактором, который влияет на климат планеты, становится именно изменение формы эллиптической орбиты.

В целом моделирование показало, что даже в ситуации, когда общее количество энергии, которую получает планета в течение года, не меняется на протяжении миллионов лет, ее климат может очень сильно меняться.

Изменение эксцентриситета и изменение оси наклона в различных комбинациях могут обеспечивать какой угодно климат, начиная от такого, когда океаны и суша планеты полностью освобождаются от льда на весь год и заканчивая полным оледенением.

Главный же вывод, который был сделан в результате этой работы, заключается в том, что никакой “зоны пригодности к жизни”, нахождение планеты в которой гарантирует пригодный для жизни климат, просто не существует. Влияние параметров вращения планеты легко “перекрывает” влияние интенсивности излучения от звезды на определенном расстоянии. Относительно стабильны в течение миллиарда лет орбиты планет – чрезвычайная редкость, и в больших масштабах времени все землеподобной планеты переживают длительные периоды оледенения и полного отсутствия льда.

“Орбитальная” история земного климата

Но как все эти изменения могли влиять на историю самой Земли? Известные нам кайнозойские оледенения были относительно кратковременными явлениями, которые длились всего несколько тысяч лет. Фактически, последние два десятка миллионов лет Земля существует в условиях климатической нестабильности. Однако в ее истории есть более длительные периоды, продолжительностью в десятки миллионов лет оледенения и полного отсутствия льда, в частности и такие, во время которых Земля полностью покрывалась ледяными щитами.

Какими были циклы изменения эксцентриситета орбиты Земли и наклона оси ее вращения в этот период? Были ли они такими же, как и сейчас? Тогда существование оледенения объясняется лишь определенными “земными” факторами изменения климата? Может тогда влияние планет-гигантов на Землю по какой-то причине был сильнее, и ее эксцентриситет менялся в значительно более широких пределах? Ответов на эти вопросы пока нет.

А тем временем в июне 2018 года ученые из Технологического института Джорджии опубликовали работу, посвященную исследованию Кеплера-186f. Эта планета, расположенная в 492 световых годах от Земли в созвездии Лебедя интересна тем, что это первая открытая землеподобная планета в «зоне пригодности к жизни» другой звезды.

Конечно, что исследователям было интересно, насколько же похожей на землю она на самом деле есть. И, конечно, первое, на что они обратили внимание – это наклон оси вращения к орбите и его стабильность. В опубликованной работе доказывается, что наклон оси является очень стабильным.

Для Кеплера-186f это является интересным результатом, поскольку эта экзопланета вращается возле внешней границы “зоны пригодности к жизни”, и нестабильный угол вращения означал бы, что она похожа по своим условиям на Марс. Наличие же стабильного угла наклона оси вращения, вместе с массивностью планеты может свидетельствовать о том, что она на самом деле похожа на Землю, и на ней происходит смена сезонов.

Кроме вышеназванной планеты исследователи изучили и планету Кеплер-62f. Она расположена в 1200 световых годах от нас. На время открытия в 2014 году Кеплер-186fсчиталась наиболее похожей на нашу из всех известных. Сейчас же для нее установлена стабильность наклона оси, поэтому нам известно, что там возможны смены сезонов.

Вероятно, когда Космический телескоп им. Джеймса Вебба начнет спектроскопические исследования экзопланет, одним из первых объектов изучения станет именно Кеплер-186f. Пока же, даже масса этой планеты остается неизвестной.

В начале изучения планет

Фактически все эти исследования являются лишь началом пути изучения мира вокруг нас. Много веков мы знали только планеты нашей звездной системы, причем знали их такими, какими они есть сейчас. Поэтому вопрос о том, являются ли они типичными, как они возникли и всегда ли были такими, какими мы их знаем, оставались вне компетенции науки. Теперь, когда мы знаем сотни и тысячи планет, мы можем перейти к сравнению. Мы можем говорить об изменении климата на планетах во времени. Мы можем говорить об определенных закономерностях их эволюции.

Тридцать лет назад сама мысль о том, что где-то за пределами Солнечной системы существуют планеты, оставалась недоказанной. Сейчас мы говорим о том, что это не какие-то, а очень похожие на Землю планеты являются достаточно распространенными во Вселенной. Представьте, что мы будем знать еще через 30 лет.