В школе нам рассказывают, как Солнце согревает Землю и делает возможной жизнь. Эта идея остаётся с большинством из нас на всю жизнь. Но когда мы хотим разобраться в том, как и где может существовать жизнь, мы узнаем, что у Земли есть свои собственные источники тепла, которые помогают ей поддерживать пригодные для жизни условия: остаточное тепло и радиоактивный распад. У других каменистых миров тоже могут быть такие источники тепла.
Небольшой процент учёных продолжает идти по этому пути в поисках более подробных знаний о пригодных для жизни планетах. Оказывается, что существуют и другие источники тепла, которые потенциально могут питать жизнь, например приливный разогрев. Приливный разогрев происходит на спутниках, где мощная гравитация гораздо более массивной планеты растягивает и сжимает спутник, когда она вращается по орбите. Это движение создаёт тепло, которое может способствовать сохранению жидкой воды и жизнеспособности. Именно это, по мнению учёных, происходит с некоторыми спутниками нашей Солнечной системы, такими как Европа, где тепло, вероятно, поддерживает тёплый жидкий океан под толстой ледяной шапкой.
Новое исследование посвящено вопросам спутников, приливного разогрева и пригодности для жизни, но с одной особенностью. В нём рассматриваются блуждающие планеты и их спутники. Оно называется «Жизнь в темноте: потенциальная пригодность для жизни спутников блуждающих планет». Авторами являются Виктория Фрёлих и Жольт Регалы, оба связанные с Астрономическим институтом Конколи Теге Миклоша Исследовательского центра астрономии и наук о Земле HUN-REN в Венгрии. Их статья будет опубликована в журнале «Астрономия и астрофизика».
«Урабильность» [urability] — это довольно новое слово, которое обозначает условия, позволяющие зародиться жизни на планете. Оно отличается от слова «пригодность для жизни» [habitability], которое в основном описывает планету с жидкой водой, способную поддерживать жизнь. Урабильность учитывает и другие факторы, такие как геофизические и геохимические условия, необходимые для зарождения жизни. «В то время как обитаемость [habitability] касается условий, которые позволяют существование жидкой воды на поверхности и поддержание жизни, урабильность касается минимальных физических, химических и энергетических требований для зарождения жизни», — объясняют авторы. В этом исследовании авторы исследуют урабильность странных спутников, вращающихся вокруг странных планет.
«Число обнаруженных блуждающих планет (т. е. планет без звезды-хозяина, также называемых кочевыми, несвязанными, сиротами, блуждающими, беззвёздными, бессолнечными или свободно плавающими планетами) в настоящее время достигло нескольких сотен, — пишут авторы. — Более того, теории предполагают, что на каждую звезду в Галактике может приходиться до двух блуждающих планет размером с Юпитер».
Это означает, что существует огромное количество не только блуждающих планет, но и, по крайней мере потенциально, их спутников. Поэтому наше стремление к более глубокому пониманию пригодности для жизни и обитаемости будет неполным без учёта этих миров.
Существуют различные механизмы, которые могут выбросить планету из её солнечной системы и оставить её блуждать в темноте космоса. Один из них — взрывы сверхновых, и именно на этом сосредоточена данная работа. Исследователи изучили возможность удержания спутников планетами, выброшенными взрывами сверхновых. «В этом исследовании мы изучили орбитальную динамику экзоспутника, вращающейся вокруг планеты, чья звезда-хозяйка взрывается как SN II», — объясняют они.
Двое исследователей использовали моделирование для проверки своих идей. Их набор эталонных моделей начинался с планет и спутников на круговых орбитах, что обеспечивало фиксированную базу для сравнения. В последующих симуляциях они увеличили эксцентриситет планет и спутников. Наконец, они смоделировали два спутника, вращающиеся вокруг планеты в резонансе среднего движения. Во всех этих сценариях они также варьировали некоторые параметры взрыва сверхновой.
«В целом, взрыв SN II приводит к нестабильности орбит планет, в результате чего они продолжают своё путешествие по галактике как блуждающие планеты», — пишут авторы. Удивительно, но мощные взрывы не отрывали спутники от планет, и они оставались гравитационно связанными с последними. «Судя по нашим результатам, планеты, выброшенные во время взрывов SN II, во всех случаях сохраняют свои спутники», — объясняют авторы, отмечая, что этот результат согласуется с предыдущими исследованиями.
Однако орбиты спутников вокруг планет изменились, а взрывы изменили их эксцентриситет. «Величина возбуждения эксцентриситета спутника зависит исключительно от скорости, полученной планетой», — пишут исследователи. Это критически важная часть исследования, поскольку эллиптическая орбита создаёт приливный разогрев, который может лежать в основе пригодного для жизни состояния.
Для планеты с орбитой, которая изначально была круговой, спутники достигали эксцентриситета около 0,33. Для сравнения, эксцентриситет нашей Луны составляет примерно 0,0549, что является почти круговой орбитой.
Для планет с уже существующими эксцентрическими орбитами их спутники достигали эксцентриситета около 0,88. Результаты также показывают, что для пар спутников, находящихся в резонансе, их эксцентриситет может достигать около 0,27.
Но важной особенностью эксцентриситета является то, как он влияет на приливный разогрев этих странных спутников. В ситуациях, когда спутники обращаются вокруг своих планет на расстоянии более 0,01 а.е. и с эксцентриситетом более 0,1, может происходить эффективный приливный разогрев. От 12% до 15% блуждающих спутников в таких ситуациях испытывают приливный разогрев, сопоставимое с нагреванием океанических спутников Энцелада и Европы. В данном случае «сопоставимое» означает от 0,1 до 10 раз больше их приблизительных значений.
Моделирование также показывает, что спутники в таких ситуациях сохраняют свой эксцентриситет в геологических временных масштабах. «Временные масштабы затухания эксцентричности превышают возраст Солнечной системы, что означает миллиарды лет непрерывного нагрева спутников. Такие миры представляют собой многообещающие цели для будущих поисков внеземной жизни», — объясняют исследователи.
Согласно некоторым теоретическим работам, в Млечном Пути могут существовать триллионы блуждающих спутников. Хотя эта работа была сосредоточена на выбросе в результате взрыва сверхновой, она применима и к другим сценариям. «Важно, что это рассуждение выходит за рамки сценариев сверхновых: потенциальная обитаемость экзоспутников в равной степени применима к эксцентричным системам блуждающих планет и спутников, образованным в результате ранних динамических нестабильностей или пролётов звёзд», — пишут авторы.
Обнаружение блуждающих спутников пока недостижимо, но, вероятно, не надолго. С развитием технологий мы можем оказаться на пороге открытия и подтверждения существования блуждающих спутников. Авторы отмечают, что спутники Титан и Ганимед блокируют около 2% света своих планет, когда проходят перед ними. Это означает, что их прохождение может быть обнаружено. Их также можно обнаружить с помощью гравитационного микролинзирования, но для этого нужно удачное расположение. В этом помогут телескоп Нэнси Грейс Роман и обсерватория Веры Рубин.
Если это исследование окажется точным, то мы находимся на пороге обнаружения скрытой популяции планет и спутников, открытие которых может заставить переосмыслить солнечные системы, планеты, спутники, жизнь и всю галактику. Если пригодность для жизни, или урабильность, не зависит от звезды, нам нужно изменить своё мышление, чтобы соответствовать природе.
«Наши выводы показывают, что такие эксцентричные спутники, однажды выброшенные в межзвёздное пространство вместе со своей планетой, могут оставаться пригодными для жизни в течение миллиардов лет, поддерживаемые только приливным разогревом», — заключают авторы.