Захований між безводною одноманітною пустелею і гігантською сніговою кулею, чужий світ, під назвою TRAPPIST-1е, може бути єдиною населеною планетою в недавно виявленій системі з семи об’єктів — такий висновок напрошується після аналізу результатів адаптації нової кліматичної моделі для цієї зоряної системи.
Коли дослідники в лютому оголосили про відкриття семи планет, які обертаються навколо близької червоної зорі TRAPPIST-1, буквально всі хотіли дізнатися більше про маленькі скелясті світи і з’ясувати — чи може хоча б один з них бути таким гостинним, аби прихистити життя. Серед перших науковці, які серйозно взялися моделювати потенційні кліматичні умови світів в глибинах космосу, був Ерік Вольф (Eric Wolf), дослідник з Університету Колорадо (м. Боулдер, США). Його модель, найкраща з усіх запропонованих дотепер, малює чітку картину того, які планети в цій зоряній системі насправді можуть бути придатними для життя.
Нова кліматична модель передбачає, що екзопланета TRAPPIST-1e, яка має рідку воду на своїй поверхні, — найвірогідніший кандидат в системі семи планет на звання «придатна для життя». Фото з сайту www.space.com.
Вольф змоделював три планети навколо TRAPPIST-1 і протестував їхні потенційні атмосфери з метою визначення можливості виявити хоча б на якійсь із них докази існування рідкої води. Він виявив, що в його розрахунках всім критеріям і вимогам відповідає тільки одна з семи планет, класифікованих в якості потенційно придатних для життя.
Сніжки і втікачі
Зокрема, Вольф дослідив планети d, e і f навколо зорі TRAPPIST-1, яка лежить на відстані приблизно 39 світлових років від Землі. Він виявив, що планета d обертається занадто близько до своєї зорі. Це призводить до утворення в її атмосфері великої кількості водяної пари, яка нагріває планету все більше й більше, аж до закипання решток води. Таке явище є ознакою формування в атмосфері планети класичного парникового ефекту, який спричиняє появу дуже гарячих і засушливих повітряних потоків впродовж тривалого часу. Планета f навпаки, міститься занадто далеко від своєї зорі, що робить її своєрідним сніжком — вода на поверхні замерзає. У моделі жодна комбінація газів в атмосфері не може підтримувати температуру достатньо комфортною.
«Отже, у нас лишається тільки планета e повноцінним реальним кандидатом з ідеальними кліматичними умовами, сприятливими для зародження і еволюції життя на ній» — сказав Вольф журналістам.
Для того, щоб прийти до цього висновку, Вольф використовував модифіковану атмосферну модель, спочатку прокалібровану для моделювання клімату Землі. Планети системи TRAPPIST-1, розміри яких близькі до земних, насправді, існують в умовах, суттєво відмінних від земних. Сім планет туляться близько до своєї ультрахолодної материнської зорі, діапазон значень їх орбітальних періодів становить 1,5—20 днів (у Землі — 365,26 днів). Існує велика ймовірність того, що внутрішня планета буквально стикається з материнською зорею. Спектральні діапазони максимуму випромінювання Сонця і TRAPPIST-1 суттєво різняться — остання більшість світла випромінює в червоному діапазоні, зокрема, ближній інфрачервоній ділянці спектра.
Свої розрахунки Вольф виконував на суперкомп’ютері Janus в Університеті Колорадо і суперкомп’ютері Hyak в Університеті штату Вашингтон. Його статтю взяв до публікації The Astrophysical Journa. Її також розміщено на arXiv.org.
Вольф припустив, як нульове наближення, що вода є на поверхні планет. Він виявив — у разі землеподібної атмосфери близько 20 відсотків поверхні планети е не заморожена. Це схоже на очне яблуко, з теплою, розплавленою плямою, орієнтованою на материнську зорю. Щоб досягти температури земної атмосфери, треба добавити в атмосферу планети більше двоокису вуглецю (можна запропонувати для цього різні комбінації азоту і вуглекислого газу).
Для компенсації більшої відстані планети f від зорі й «нагріву» її до прийнятної для перебування в рідкому стані води, він намагався збільшити приблизно на 30 бар тиск вуглекислого газу — це майже в 30 разів більше тиску атмосфери Землі на рівні моря. Планета е однак буде занадто холодною, щоб життя на ній мало комфорті умови — при такій температурі газ почне конденсуватися і випадати з атмосфери.
Більш віддалені від зорі планети будуть ще холоднішими — вся доступна вода замерзне з утворенням сніжків. Згідно з моделлю на планеті d — занадто жарко, щоб утримувати воду від випаровування, незалежно від товщини і складу її атмосфери. Хоча в попередньому варіанті статті, опублікованому місяць тому в журналі Nature, стверджувалося, що на планетах e, f і g можуть бути рідкі океани, більш складна модель Вольфа передбачає, що e і g занадто холодні.
«Основний висновок нашого дослідження полягає в тому, що справжнім переможцем є екзопланета TRAPPIST-1е» — зауважив Вольф. Але він з нетерпінням чекає виконання моделювання в ширшому діапазоні значень фізичних параметрів. Як і моделювання змін клімату на Землі, це потребує розробки великої кількості різних методів, щоб прийти до консенсусу про те, які атмосфери планет можуть дозволити існування на їх поверхні рідкої води.
«Ми повинні звірити численні розрахунки, щоб переконатися в тому, що наші моделі реально відображають ситуацію на планетах зоряної системи TRAPPIST-1 і нашим результатам можна цілком довіряти, і що таким чином ми можемо добитися того, аби наші судження про ці планети набули великого значення» — додав він.
Є багато факторів, що впливають на навколишнє середовище на планетах, а також існують різні методи обробки цих змінних параметрів. Основний посил моделі Вольфа полягає в тому, що вплив різних газів в атмосфері буде приводити до охолодження; хмари, як і випромінювання, нагрівають планету. Результати такого моделювання мають зацікавити і океанологів — адже океанічні течії можуть зменшити покриття морського льоду планети шляхом перенесення тепла від більш теплої денної до холодної нічної сторони. Інші моделі клімату можуть дати різні варіанти розрахунків і їх постійно будуть удосконалювати в міру того, як дослідники-астрономи модифікують методологію своїх екзопланетних досліджень.
Що шукати
Для екзопланет TRAPPIST-1 d, e і f Вольф змоделював температуру на всій поверхні планет, з урахуванням конкретних атмосфер. Для планети e він протестував холодні, помірні й гарячі сценарії. Окрім того, він ретельно обчислив кількість тепла, яке буде вивільнено кожною планетою з даною атмосферою, а також яскравість світла, відбитого поверхнею планети в кожній частині орбіти. Дослідники матимуть можливість порівняти ці моделі з реальними даними, отриманими із спостережень.
У новій моделі основна увага прикута до трьох планет навколо TRAPPIST-1 — d, e і f — з атмосферами, що складається з різних газових елементів та їх композицій. Основна мета моделювання — визначити, за яких умов на поверхнях планет може існувати рідка вода. Науковців, зокрема, цікавили температури поверхні планет, кількість води, що міститься в хмарах, теплова енергія, що виділяється і відбивається верхніми шарами атмосфери — всі ці параметри визначали графічно для різних потенційних атмосфер. Планета f завжди перебуває в замороженому стані, планета d надто гаряча для води; водночас, залежно від атмосфери, планета e може бути холодною, помірною або гарячою — і в усіх випадках зберігає поверхневу воду. Фото з сайту www.space.com.
«Якщо ми можемо отримати ці спостереження і порівняти їх з нашими результатами моделювання, ми могли б зробити деякі оцінки того, якою власне є атмосфера планети» — сказав Вольф. Створення цих моделей допомагає дослідникам підготуватися до планування спостережень, а також визначити, що може бути найпродуктивнішим для подальшого вивчення. У майбутньому він і його колеги планують змоделювати спектри світла, відбитого планетами.
«Це справді хороша робота» — зауважив Ентоні Дель Ґеніо (Anthoni Del Genio), науковий співробітник Годдардівського інституту космічних досліджень, який не був залучений до цієї програми. «Наскільки мені відомо, Ерік першим виконав таке дослідження для системи TRAPPIST-1 — звісно, він перший, щоб виконати 3D- дослідження».
Дель Ґеніо має на увазі 3D моделі клімату на яких чітко проглядає поверхня планети, розбита на вертикальні колонки і доріжки. В такій моделі умови змінюються поперек колонки, тоді як одномірна модель розглядає тільки один стовпець атмосфери і поверхню. 3D моделі можуть включати в себе більше нюансів у явищах природи і можуть враховувати відмінності на денному й нічному боках планети, що особливо важливо для куль, подібних до планет системи TRAPPIST-1, які завжди орієнтовані на зорю одною стороною.
Дель Ґеніо сподівається на те, що інші моделі можуть виявити, зокрема, відомості про планети d і f. Різні методи можуть дати не збіжні результати для потенційної населеності планет. Але зараз дослідження Вольфа добре натякають на те, що потрібно шукати із застосування більш потужних телескопів.
За інф. з сайту www.space.com підготував Георгій Ковальчук
