Новое исследование показывает, что эксцентричные орбиты могут играть роль в обитаемости планет. Фото: НАСА Эймс, Институт SETI, Лаборатория реактивного движения-Калтех, Т. Пайл
Сейсмический сдвиг произошел в астрономии во время Научной революции, начиная с эрудита 16-го века Коперника и его предположения о том, что Земля вращается вокруг Солнца. К 17 веку знаменитый инженер и астроном Галилео Галилей уточнил гелиоцентрическую модель Коперника, используя наблюдения, сделанные с помощью телескопов, которые он построил сам. Однако только после наблюдений Кеплера, когда планеты двигались по эллиптическим орбитам вокруг Солнца (а не по круговым), астрономические модели полностью соответствовали наблюдениям за небом.
Как оказалось, именно эта причуда орбитальной механики может быть необходима для возникновения жизни на планетах, подобных Земле. Такую гипотезу выдвинула в недавнем исследовании группа астрономов под руководством Университета Лидса.
Согласно их работе, эксцентриситет орбиты (насколько орбита планеты отклоняется от окружности) может влиять на реакцию климата планеты, что может оказать глубокое воздействие на ее потенциальную пригодность для жизни. Эти результаты могут быть важны для исследователей экзопланет, поскольку они продолжают искать планеты, похожие на Землю, которые могли бы поддерживать жизнь.
Команду возглавил Бингхань Лю, аспирант факультета физики и астрономии Лидского университета, который провел исследование в рамках своей диссертации. К нему присоединились Дэниел Р. Марш, заведующий кафедрой Пристли по сравнительным планетным атмосферам (и научный руководитель Лю), и другие коллеги из Лидса и Института астрономии Кембриджского университета.
Их статья «Эксцентричные орбиты могут повысить обитаемость экзопланет, похожих на Землю», была недавно опубликована в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества.
Идея круговых орбит имеет глубокие корни в западной астрономии, восходящие к классической античности. Некоторые примеры включают Платона и Аристотеля, которые утверждали, что известные тогда небесные тела (Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн) представляли собой идеальные сферы, вращавшиеся вокруг Земли по концентрическим кругам.
Эта вера сохранилась и во время научной революции: и Коперник, и Галилей утверждали, что известные тогда планеты (Меркурий, Венера, Земля и Луна, Марс, Юпитер и Сатурн) вращались вокруг Солнца по концентрическим кругам.
<р>Только когда Иоганн Кеплер ввел концепцию эллиптических орбит, ученые смогли сопоставить свои астрономические модели с наблюдаемыми движениями планет. С тех пор ученые узнали много нового об орбитальных параметрах, таких как большая полуось (a), эксцентриситет (e), наклон оси, наклонение (i) и перицентр, и о том, как они могут влиять на климат планеты с течением времени. Эти параметры также стали очень важными для исследований экзопланет, поскольку они жизненно важны для определения того, может ли планета быть «потенциально пригодной для жизни».
Для своего исследования Лю и его коллеги использовали модель климата всего атмосферного сообщества (WACCM6), интерактивную модель земной системы с высоким разрешением, способную имитировать условия на Земле (от океанов до верхних слоев атмосферы) для моделирования экзопланет, подобных Земле, с двумя различными параметрами орбиты.
Для одного набора они назначили круговые орбиты (e = 0), в то время как другим были назначены высокоэксцентричные орбиты (e = 0,4) — намного больше, чем эксцентриситет Земли (0,016). Им также был назначен нулевой наклон и фиксированный уровень годовой солнечной радиации (также известный как среднегодовая инсоляция).
После 30 лет моделирования для каждого случая они изучили, как обе группы экзопланет вели себя в отношении их реакции на климат. Это включало широтные и сезонные изменения в их гидрологическом цикле (морской лед, снег на суше и облака) и показатели обитаемости суши, такие как температура поверхности и осадки.
Как они указали в своей статье, экзопланеты в группе с высокоэксцентричной орбитой имели на 25% больше пригодной для жизни площади суши на более чем 80% своей орбиты, со средним увеличением на 7% за весь их орбитальный цикл.
Естественно, были некоторые оговорки и дополнения, которые они обязательно включили:
«Важно отметить, что пригодность для жизни на суше зависит от выбранной метрики и продолжительности времени, в течение которого выполняются условия для определенной метрики. Мы приходим к выводу, что при том же годовом среднем звездном потоке планета-аналог Земли с нулевым наклонением на сильно эксцентричной орбите вокруг звезды, подобной Солнцу, может иметь повышенную пригодность для жизни на суше по сравнению с ее круговым аналогом».
Другими словами, моделирование основано на планетах с гораздо более эксцентричными орбитами, чем у Земли, и не подвержено тем же изменениям наклонения, которые также глубоко влияют на климат Земли (например, ледниковые и межледниковые периоды).
Тем не менее, их исследование показывает, что планеты с эксцентричными орбитами с большей вероятностью пригодны для жизни, чем планеты с круговыми орбитами, которые испытывают мало сезонных изменений в течение года. Эти результаты могут иметь значительные последствия для изучения экзопланет и поиска пригодных для жизни миров за пределами Солнечной системы.
Кроме того, они отмечают, как астрономы выиграют от обсерваторий следующего поколения, которые смогут обнаружить экзопланеты земного типа с эксцентрическими орбитами в ближайшем будущем.
«Обнаружение экзопланет земного типа с высоким эксцентриситетом затруднено из-за ограничений современных методов наблюдения, которые смещены в сторону близких и, таким образом, приливно заблокированных экзопланет на круговых орбитах. Однако с предстоящими миссиями наземных и космических телескопов, такими как PLATO, ELT и HWO, может быть обнаружено и охарактеризовано больше экзопланет земного типа с высоким эксцентриситетом.
«Понимание потенциальных последствий для климата и обитаемости экзопланет с высоким эксцентриситетом остается сложной задачей».
Дополнительная информация: Бинхан Лю и др., Эксцентричные орбиты могут повысить обитаемость экзопланет земного типа, Ежемесячно Уведомления Королевского астрономического общества (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1758
Информация о журнале: Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества
Предоставлено Universe Today
