Скалиста планета, орбитираща в обитаемата зона на звезда, подобна на Слънцето, може да изглежда като идеално място за процъфтяване на живота – но не и ако е твърде малка, за да задържи атмосферата си. Затова можем да се запитаме: колко по-малка би могла да бъде Земята и все пак да запази своята чудесна, подходяща за дишане атмосфера? Колко малка би могла да бъде една екзопланета, за да поддържа живот – такъв, какъвто го познаваме?

С оглед на тези въпроси планетарният учен Мишел Хил от Университета на Калифорния в Ривърсайд и нейните колеги наскоро симулираха какво се случва с атмосферите на скалисти светове с различни размери. Изследваните светове бяха подобни на Земята и орбитираха в обитаемите зони около звезди, подобни на Слънцето. Оказва се, че за да може един свят да запази атмосферата си достатъчно дълго, за да се зароди живот (минимум няколко милиарда години), той трябва да е поне толкова голям, колкото Марс.

Обитаемата зона – областта около звездата, където температурите са подходящи за съществуването на течна вода на повърхността на планетата – е най-атрактивната зона в търсенето на извънземен живот. Тя е и трудна среда за атмосферите на екзопланетите, защото колкото по-близо е една планета до звездата, толкова повече начини има, по които радиацията и звездният вятър ще се опитат да отнемат атмосферата ѝ.

Ето защо Хил и нейните колеги наскоро симулираха колко време би отнело на скалисти, подобни на Земята планети с различни размери, намиращи се в обитаемата зона на звезда като нашето Слънце, да загубят атмосферите си. С други думи, колко по-малка би могла да бъде Земята или подобна на нея планета, за да запази атмосферата си?

Оказва се, че за да може да поддържа атмосфера, една планета трябва да е с диаметър, равен на около 80% от този на Земята, но технически би могла да бъде и само 60% от него. Това дава на астробиолозите насока към кои планети да насочат вниманието си в търсенето на обитаеми светове и признаци за извънземен живот.

„Огромният брой екзопланети създава интересно предизвикателство в търсенето на потенциално обитаеми планети“, пишат Хил и другите учени. „Кои от многото обекти в обитаемите зони на своите звезди са най-добрите кандидати за последващи наблюдения с цел откриване на биосигнатури?“ С други думи, астробиолозите вече имат почти прекалено много планети, от които да избират, и не разполагат с достатъчно телескопно време, за да ги проучат всички. Затова е време да стесним обхвата на търсенето.

Един от начините да се постигне това е да се установи кои планети са най-вероятно обитаеми – а за живота – такъв, какъвто го познаваме, тази обитаемост означава наличието на атмосфера.

Моделът Smaller Than Earth Habitability Model („Модел за обитаемост на планети, по-малки от Земята“) симулира съдбата на атмосферите около цифрови версии на Земята. Някои от симулираните светове са точно като нашия, но по-малки, със същия химичен състав и същите пропорции на ядро, мантия и кора. Други имат леко различно количество въглерод, по-големи или по-малки ядра, или различни начални температури. Моделът проследява какво се случва с тези светове в продължение на няколко милиарда години въз основа на две неща: колко бързо звездният вятър и радиацията отнемат газ от атмосферата на планетата и колко бързо вулканите изхвърлят газ (предимно въглероден диоксид), за да го заменят.

Благодарение на модела екипът установи, че една умалена версия на Земята трябва да е с ширина поне 80% от тази на истинската Земя (0.8 радиуса на Земята), за да поддържа атмосфера в дългосрочен план. По-малките планети са склонни да губят газ по-бързо, отколкото вулканичните изригвания могат да го заменят.

Това се дължи на факта, че по-малките планети имат по-малка гравитация и по-слаби магнитни полета, с които да задържат тънките си газови обвивки. Освен това те обикновено не отделят достатъчно газ от вътрешността си, за да компенсират загубата. Мантиите им – бурният слой магма под кората – с течение на времето отделят все по-малко вулканичен газ, а горните им слоеве се охлаждат и втвърдяват много по-бързо. Последният процес прекратява вулканичните изригвания много по-рано в жизнения цикъл на планетата.

Чрез промяна на някои от параметрите на Земята екипът успя да постигне стабилна атмосфера на планети с размер едва 0.6 радиуса на Земята. Ключът се оказа въглеродът: планетите с по-голямо съдържание на въглерод в мантията си са склонни да изпускат повече въглероден диоксид при изригвания, а това се оказва най-важният фактор (освен размера) за това дали дадена планета запазва атмосферата си.

„Въглеродният диоксид е тежка молекула“, пишат Хил и нейните колеги, „което може да я направи молекула, която трудно се губи. Ние се фокусираме върху атмосфера, състояща се изцяло от въглероден диоксид, като най-добрия възможен сценарий за запазване на атмосферата.“ Разбира се, това е най-добрият възможен сценарий само за някои относително прости форми на живот, така че резултатите може да варират.

Необходими бяха много повече тонове въглерод, отколкото съдържа Земята, за да се постигне значителна промяна в съдбата на атмосферата на една планета – но тъй като теоретично е възможно да се образува планета с толкова много въглерод в състава си, това е полезна информация. Планетите със сравнително по-малки ядра и следователно със сравнително по-дебели мантии също са имали по-голям късмет по отношение на задържането на атмосферата. Началният по-голям запас от радиоактивни елементи, които се разпадат и отделят топлина в околната скала, е спомогнал мантията да остане в течно състояние, а вулканичните газове да продължат да се издигат към небето.

По-хладната мантия също помага – което звучи изненадващо. Човек би си помислил, че по-горещата мантия би имала по-голяма вероятност да изхвърля вулканични газове в атмосферата. Всъщност обаче по-хладната мантия се нуждае от повече време, за да започне да изригва сериозно, което означава, че планетата успява да задържи запасите си от газове, докато звездата ѝ стане по-стара и по-стабилна.

Новородените звезди са склонни към бурни изблици на радиация и плазма, които биха отнесли вулканичния газ веднага след изригването му. С по-хладни мантии и по-късни изригвания планетата успява да задържи по-голяма част от изригналия газ.

Дори планетите, които напълно губят първоначалната си атмосфера – вместо постепенно да я заменят с газове като въглероден диоксид и метан, – може да имат втори шанс да създадат нова атмосфера. Хил и нейните колеги предполагат, че един от начините, по които една планета може да възстанови изгубената си атмосфера, са сблъсъците с комети и астероиди, които биха могли да доставят летливи елементи като водород, кислород и въглерод. Тези елементи могат да се съединят, за да образуват най-различни атмосферни газове.

Такива сблъсъци биха могли да бъдат особено полезни, ако се случат по-късно в живота на звездната система, например след като звездата е преминала младата си фаза на интензивни слънчеви изригвания.

Бъдещи симулации, използващи модела за обитаемост Smaller Than Earth, биха могли да изследват светове около по-малки и по-хладни звезди, наречени червени джуджета – звезди като TRAPPIST-1, около която се намират поне седем скалисти планети, три от които са в обитаемата зона. Тези звезди съставляват около 75% от звездите в нашата галактика, а тяхната относително слаба светлина улеснява телескопи като космическия телескоп „Джеймс Уеб“ да заснемат изображения на звездната светлина, проникваща през атмосферите на планетите, които преминават между Земята и техните звезди гостоприемници.

Хил и нейните колеги също така се надяват да изследват какво се случва с атмосферите около планетите, които са приливно заключени, или планетите, при които приливните сили поддържат вътрешността им гореща и сеизмично активна, подобно на луната на Юпитер Йо.

Снимка: Unsplash/NASA

Виж още: Тези свлачища на Плутон са достатъчно големи, за да затрупат цели градове на Земята