Приливное нагревание может сделать экзолуны пригодными для жизни

В Солнечной системе большая часть наших астробиологических исследований направлена ​​на Марс, который считается вторым наиболее обитаемым телом после Земли. Однако будущие усилия будут направлены на исследование ледяных спутников во внешней части Солнечной системы, которые также могут быть обитаемыми (например, Европа, Энцелад, Титан и другие). 

Ожидается, что эта дихотомия между земными (каменистыми) планетами, которые вращаются в пределах обитаемых зон своей системы (HZ), и ледяными лунами, которые вращаются дальше от своих родительских звезд, будет способствовать будущим исследованиям внесолнечных планет и астробиологическим исследованиям. 

На самом деле, некоторые считают, что экзолуны могут играть жизненно важную роль в обитаемости экзопланет, а также могут быть хорошим местом для поиска жизни за пределами Солнечной системы. В новом исследовании группа исследователей исследовала, как орбита экзолун вокруг их родительских тел может привести к приливному нагреву, где гравитационное взаимодействие приводит к геологической активности и нагреву внутри. Это, в свою очередь, может помочь охотникам за экзопланетами и астробиологам определить, какие экзолуны с большей вероятностью пригодны для жизни. 

Исследование провели аспирант Армен Токаджян (Armen Tokadjian) и профессор Энтони Л. Пиро (Anthony L. Piro) из Университета Южной Калифорнии (USC) и Обсерватории Научного института Карнеги. Статья, описывающая их исследования («Приливное нагревание экзолуны в резонансе и значение для обнаружения»), недавно появилась в сети и была отправлена ​​на публикацию в Astronomical Journal. На их анализ в значительной степени повлияло наличие в Солнечной системе многопланетных лунных систем, таких как те, что вращаются вокруг Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. 

Считается, что во многих случаях у этих ледяных спутников есть внутренние океаны, возникшие в результате приливного нагрева, когда гравитационное взаимодействие с более крупной планетой приводит к геологическим действиям внутри. Это, в свою очередь, позволяет существовать жидким океанам благодаря наличию гидротермальных источников на границе ядра и мантии. Тепло и химические вещества, которые эти жерла выбрасывают в океаны, могут сделать данные «океанские миры» потенциально пригодными для жизни — это то, что ученые надеялись исследовать в течение десятилетий. 

По этому поводу Токаджян специально для Universe Today написал по электронной почте: «С точки зрения астробиологии, приливное нагревание может поднять температуру поверхности луны до диапазона, при котором может существовать жидкая вода. Таким образом, даже системы за пределами обитаемой зоны могут потребовать дальнейших астробиологических исследований. Например, на Европе есть жидкий океан из-за приливных взаимодействий с Юпитером, хотя он находится за пределами ледяной линии Солнечной системы». 

Учитывая, насколько многочисленны «миры-океаны» в Солнечной системе, вполне вероятно, что подобные планеты и системы с несколькими лунами можно найти по всей нашей галактике. Как объяснил Пиро для Universe Today также по электронной почте, наличие экзолун имеет много важных последствий для жизни, в том числе: 

• Большие луны, такие как наша, могут стабилизировать осевой наклон планеты, поэтому на планете есть регулярные сезоны. 
• Приливные взаимодействия могут предотвратить приливную блокировку планет с их звездой-хозяином, что повлияет на климат. 
• Луны могут приливно нагревать планету, помогая ей поддерживать расплавленное ядро, что имеет много геологических последствий. 
• Когда газообразная планета находится в обитаемой зоне звезды, на самой Луне может быть жизнь (вспомните Эндор из "Звездных войн" или Пандору из "Аватара"). 

В последние десятилетия геологи и астробиологи предположили, что формирование Луны (около 4,5 миллиардов лет назад) сыграло важную роль в появлении жизни. Магнитное поле нашей планеты является результатом вращения ее расплавленного внешнего ядра вокруг твердого внутреннего ядра в направлении, противоположном собственному вращению планеты. Наличие этого магнитного поля защищает Землю от вредного излучения и позволяет нашей атмосфере оставаться стабильной с течением времени, а не медленно разрушаться солнечным ветром (как это было в случае с Марсом). 

Короче говоря, взаимодействие между планетой и ее спутниками может повлиять на обитаемость обоих. Как показали Токаджян и Пиро в предыдущей статье на примере двух экзопланет-кандидатов (Kepler-1708 bi и Kepler-1625 bi), присутствие экзолун можно использовать даже для изучения внутренней части экзопланет. По словам Токаджяна и Пиро, в случае многолунных систем величина приливного нагрева зависит от нескольких факторов. 

По этому случаю Пиро объяснил следующее: «Поскольку планета вызывает приливы на Луне, часть энергии, накопленной в результате деформации, передается на нагрев Луны. Этот процесс зависит от многих факторов, включая внутреннюю структуру и размер Луны, массу планеты, разделение лун и эксцентриситет орбиты луны. В системе с несколькими лунами эксцентриситет может достигать относительно высоких значений, если луны находятся в резонансе, что приводит к значительному приливному нагреву. В работе Армена Токаджяна он прекрасно показывает, по аналогии с приливным нагревом, который мы наблюдаем для Ио вокруг Юпитера, что резонансные взаимодействия между несколькими спутниками могут эффективно нагревать экзолуны. Под «резонансным» мы подразумеваем случай, когда периоды лун подчиняются некоторому целому числу кратны (например, 2 к 1 или 3 к 2), так что их орбиты регулярно «пинают» друг друга». 

В своей статье Токаджян и Пиро рассмотрели луны в орбитальном резонансе 2:1 вокруг планет разного размера и типа (то есть от меньших каменистых планет до нептуноподобных газовых гигантов и суперюпитеров). Согласно их результатам, наибольший приливный нагрев будет происходить на спутниках, которые вращаются вокруг скалистых планет, похожих на Землю, с периодом обращения от двух до четырех дней. В этом случае приливная светимость была более чем в 1000 раз больше, чем у Ио, а приливная температура достигала 480 Кельвинов (~ 207 ° C; 404 ° F). 

Эти результаты могут иметь серьезные последствия для будущих исследований экзопланет и астробиологии, которые расширяются и включают поиск экзолуний. Хотя такие миссии, как «Кеплер», обнаружили много кандидатов в экзолуны, ни один из них не был подтвержден, поскольку подобные объекты невероятно сложно обнаружить с помощью обычных методов и современных инструментов. 

Как объяснил Токаджян, приливное нагревание может предложить новые методы обнаружения экзолуны: «Во-первых, у нас есть метод вторичного затмения, когда планета и ее луна движутся за звездой, что приводит к наблюдаемому падению звездного потока. Если Луна значительно нагрета, это вторичное падение будет глубже, чем ожидается. Во-вторых, нагретая луна, скорее всего, будет выбрасывать летучие вещества, такие как натрий и калий, в результате вулканизма, как и в случае с Ио. Обнаружение следов натрия и калия в атмосферах экзопланет может быть ключом к происхождению экзолуны». 

В ближайшие годы телескопы следующего поколения, такие как "Джеймс Уэбб" (который выпустит свои первые изображения 12 июля 2022 года), будут полагаться на комбинацию передовой оптики, инфракрасного изображения и спектрометров для обнаружения химических сигнатур в атмосферах экзопланет. Другие инструменты, такие как Чрезвычайно большой телескоп ESO (ELT), будут полагаться на адаптивную оптику, которая позволит получать прямые изображения экзопланет. Возможность обнаруживать химические сигнатуры экзолун значительно повысит их способность находить потенциальные признаки жизни.

Источник: Phys.org.

Ранее сообщалось о том, что Юпитер столкнулся с крупным космическим телом (видео).