В астробиологията един обитаем свят задължително е планета, която се затопля от лъчите на своята звезда-майка. Но Вселената е изпълнена с много обекти, изхвърлени в междузвездното пространство – планети сираци. Смяташе се, че те са стерилни ледени пустини, неподходящи за зараждане на живот, но нови термодинамични модели показват, че това не е съвсем така.
Според изчисленията екзолуните на планетите сираци могат да задържат течна вода на повърхността си в продължение на повече от четири милиарда години. За целта те се нуждаят от два фактора: интензивно приливно нагряване и плътна атмосфера, съставена предимно от водород.
Термодинамичната криза на класическите модели
Основният проблем на обитаемостта в дълбокия космос е запазването на топлината. Вътрешните източници на енергия на планетарното тяло (разпад на радиоактивни елементи или приливно триене) генерират топлинен поток, който трябва да се поддържа близо до повърхността. В Слънчевата система и в повечето модели на екзопланети ролята на изолатор е отредена на въглеродния диоксид (CO2).
Въглеродният диоксид е ефективен като парников агент, но има физическо ограничение, което става критично в условията на планетите-сираци. При ниски температури и високо налягане CO2 губи своята газова форма. Настъпва фазов преход: газът кондензира в течност или твърдо вещество (сух лед) и пада на повърхността. Това явление се нарича атмосферен колапс. След като атмосферата кондензира, парниковият ефект изчезва и небесното тяло бързо се охлажда.
Изследванията показват, че именно този процес прави невъзможно съществуването на течна вода на планетите сираци с атмосфера от въглероден диоксид. Кривата на кондензация на въглеродния диоксид пресича температурните профили на такива светове, преди да се постигне стабилен парников ефект. Необходимо е съвсем различно решение на проблема с топлинната изолация.
Физиката на водородните атмосфери
Авторите на новата научна работа предлагат да се разгледат атмосфери, в които водородът (Н2) е преобладаващ компонент. Водородът е най-лекият елемент, който остава газ при изключително ниски температури, което елиминира риска от колапс на атмосферата. Само че молекулата на водорода при нормални условия е прозрачна за инфрачервеното излъчване и не създава парников ефект.
Ситуацията се променя, когато налягането се повиши. В плътни атмосфери (от 10 до 100 бара) се задейства механизъм, известен като поглъщане, предизвикано от сблъсъци. Поради високата плътност на газа водородните молекули се сблъскват помежду си с висока честота. В момента на сблъсъка електронните им обвивки се деформират за кратко и възникват индуцирани електрически диполни моменти.
В това възбудено състояние водородът придобива способността да поглъща топлинното излъчване, идващо от повърхността на спътника. Колкото по-високо е налягането, толкова по-чести са сблъсъците и толкова по-ефективно атмосферата блокира отделянето на топлина в космоса. Моделирането с помощта на софтуера за радиационен трансфер HELIOS потвърди, че водородната обвивка може да осигури необходимата топлинна изолация дори при липса на външно облъчване от звезда.
Гравитацията като източник на енергия
Вторият компонент на системата за поддържане на живота е източникът на топлина. За спътниците на планетите сираци това е гравитационното взаимодействие с планетата майка. Ако орбитата на спътника има формата на издължена елипса (има ексцентрицитет), гравитационното влияние на планетата върху спътника непрекъснато се променя в зависимост от разстоянието между тях.
Променливите приливни сили деформират вътрешността на спътника. Енергията от механичното триене на скалните слоеве се превръща в топлинна енергия. Този процес е подобен на този на спътника на Юпитер Йо, който е най-вулканично активното тяло в Слънчевата система. Поддържането на живота обаче изисква деликатен баланс: трябва да има достатъчно топлина, за да се разтопи ледът, но не толкова много, че да се изпари цялата вода или да се предизвика глобален вулканизъм.
Изчисленията на орбиталната еволюция показват, че спътник с маса на Земята, обикалящ около планета с маса на Юпитер, е способен да генерира постоянен поток от топлина в продължение на милиарди години. Продължителността на този период зависи от началните орбитални параметри и масата на спътника. При оптимални сценарии течна вода на повърхността може да съществува до 4,3 милиарда години – период, сравним с времето на съществуване на живота на Земята.
Химическата основа на абиогенезата
Наличието на течна вода е необходимо, но не и достатъчно условие за възникването на живота. Необходима е и сложна химия. Авторите на изследването са използвали програмата за равновесна химия GGchem, за да анализират състава на атмосферата и повърхността на такива луни.
При моделираните условия водородната атмосфера съдържа примеси от амоняк, метан и вода. В този случай амонякът играе двойна роля. Първо, той е допълнителен парников газ. Второ, разтваряйки се в повърхностните водни басейни, той осигурява алкална реакция на околната среда. Това е особено важно, тъй като много пребиотични реакции, водещи до образуване на РНК, изискват алкални условия и наличие на магнезиеви йони.
Освен това приливният характер на източника на топлина осигурява уникален механизъм за органичната сложност. Гравитационното влияние на планетата предизвиква мощни приливи и отливи в океаните на спътника. Редовното редуване на навлажняване и изсушаване на крайбрежните зони се смята за един от най-вероятните механизми за полимеризацията на нуклеотидите в дълги нишки РНК. При постоянен океан подобни реакции са трудни поради хидролизата (разкъсването на връзките от водните молекули), но периодичното засушаване позволява тази бариера да бъде преодоляна.
Водородната атмосфера също така създава редуцираща химическа среда. За разлика от сегашната окислителна атмосфера на Земята, редуциращата среда благоприятства синтеза на сложни органични съединения от прости компоненти, което е в съответствие с класическите теории за произхода на живота.
Стабилност и еволюция на системата
Един от важните изследователски въпроси е дългосрочната стабилност на тези атмосфери. Водородът е лек газ, който е склонен да се разсейва (изпарява) в космическото пространство. Въпреки това планетите-сираци се намират в междузвездната среда, в която липсва силен поток от ултравиолетова радиация и звездни ветрове, които са основните фактори за ерозията на атмосферите в планетарните системи.
Изчисленията на скоростта на разсейване на Джийнс (термичното изтичане на газа) показват, че спътник с масата на Земята е в състояние да задържи плътна водородна обвивка за време, по-дълго от възрастта на Вселената. Това прави системата затворена и стабилна.
По време на еволюцията орбитата на спътника постепенно се закръгля под въздействието на приливните сили. С намаляването на ексцентрицитета генерирането на топлина намалява. Симулациите обхващат популация от близо 7000 виртуални луни, като се разглеждат различни сценарии за тяхното формиране и изхвърляне от родната им система. Резултатите показват, че значителна част от тези обекти (до 43%, в зависимост от параметрите) преминават през фаза, която позволява съществуването на течна вода на повърхността.
Значението за астрофизиката
Тези изчисления променят подхода за оценка на разпространението на потенциално обитаемите светове. Планетите-сираци, които досега се смятаха за стерилни обекти, всъщност могат да се окажат обещаващи цели за астробиологията. Техният брой в Галактиката, според сегашните оценки, е сравним с броя на звездите, което предполага съществуването на трилиони потенциални автономни биосфери.
Липсата на светлина прави фотосинтезата невъзможна, така че хипотетичната биосфера на такива светове трябва да разчита на хемосинтеза – получаване на енергия от химични реакции, както е в екосистемите на „черните пушачи“ (Black smokers) на дъното на земните океани.
Разбира се, откриването на такива обекти е трудна техническа задача. Тъй като не са осветени от някоя звезда, те не могат да се видят в оптичния диапазон на отразената светлина. Плътните атмосфери и топлинното излъчване обаче могат да бъдат открити от бъдещите инструменти. По-конкретно, телескопите от следващо поколение (като например Nancy Grace Roman Space Telescope) ще могат да търсят тези системи чрез гравитационно микролинзиране, а спектралните анализи на транзитите (ако планетата-сирак премине на фона на далечна звезда) теоретично ще разкрият наличието на водородни атмосфери и вода.
Така че очевидно животът не е непременно свързан със звездите. Гравитацията и термодинамиката на газовете могат да създадат стабилни оазиси в най-тъмните кътчета на Вселената.
Всичко важно от света на технологиите, директно в пощата ти.
С абонирането приемате нашите Условия и Политика за поверителност. Може да се отпишете с един клик по всяко време.
Коментирайте статията в нашите Форуми. За да научите първи най-важното, харесайте страницата ни във Facebook, и ни последвайте в Google Новини, TikTok, Telegram и Viber или изтеглете приложението на Kaldata.com за Android, iPhone, Huawei, Google Chrome, Microsoft Edge и Opera!
