Обитаемость систем красных карликов - Habitability of red dwarf systems

Художник изображает планету на орбите вокруг красного карлика.
В концепции этого художника изображен молодой красный карлик, окруженный тремя планетами.

Предполагается, что обитаемость систем красных карликов определяется большим количеством факторов из множества источников. Хотя современные доказательства , указывающие на их низкий звездный поток , высокая вероятность приливного замка , небольшие околозвездных обитаемых зон и высокой звездной переменность испытываемой планет из красных карликовых звезд , как препятствия на пути их планетарную обитаемость показывает , что планеты в красных карликовых системах вряд ли будут пригодными для жизни, повсеместность и долговечность красных карликов являются факторами , которые могли бы обеспечить широкие возможности для любой возможности обитаемости должна быть реализована. Поскольку красные карлики на сегодняшний день являются наиболее распространенным типом звезд во Вселенной, астрономы изучают, как каждый из многих факторов и взаимодействия между ними могут повлиять на их обитаемость, чтобы узнать больше о частоте и наиболее вероятных местах появления внеземной жизни и интеллект.

Интенсивный приливный нагрев, вызванный близостью планет к своим хозяевам красным карликам, является серьезным препятствием для развития жизни в этих системах. Другие приливные эффекты, такие как экстремальные перепады температур, создаваемые одной стороной планет в обитаемой зоне, постоянно обращенной к звезде, а другая - постоянно отворачивающейся, и отсутствие наклона осей планет, уменьшают вероятность существования жизни вокруг красных карликов. Неприливные факторы, такие как экстремальные звездные изменения, спектральное распределение энергии, смещенное в инфракрасную область относительно Солнца, и небольшие околозвездные обитаемые зоны из-за низкой светоотдачи, еще больше уменьшают перспективы жизни в системах красных карликов.

Однако есть несколько факторов, которые могут увеличить вероятность существования жизни на планетах красных карликов. Интенсивное образование облаков на обращенной к звезде стороне планеты, заблокированной приливом, может уменьшить общий тепловой поток и резко уменьшить разницу температур в равновесии между двумя сторонами планеты. Кроме того, огромное количество красных карликов, на которые приходится около 85% звезд в Млечном Пути и подавляющее большинство звезд в спиральных и эллиптических галактиках, статистически увеличивает вероятность существования обитаемых планет, вращающихся вокруг некоторых из них. Ожидается, что в обитаемых зонах красных карликов Млечного Пути будут десятки миллиардов планет-суперземлей .

Характеристики красных карликов

Красные карлики - самый маленький, самый холодный и самый распространенный тип звезд. Оценки их численности варьируются от 70% звезд в спиральных галактиках до более 90% всех звезд в эллиптических галактиках , при этом часто цитируемая медианная величина составляет 72-76% звезд в Млечном Пути (известном с 1990-х годов по радиотелескопическим данным). наблюдение как спираль с перемычкой ). Красные карлики M спектрального типа . Из-за их низкого выхода энергии красные карлики почти никогда не видны невооруженным глазом с Земли; Ни ближайший к Солнцу красный карлик, если рассматривать по отдельности, Проксима Центавра (которая также является ближайшей звездой к Солнцу), ни ближайший одиночный красный карлик, звезда Барнарда , не имеют визуальной величины и близко к этому. Невооруженным глазом виден только Lacaille 8760 (+6,7).

Исследовательская работа

Светимость и спектральный состав

Относительные размеры звезд и температуры фотосфер . Любая планета вокруг красного карлика, такая как показанная здесь ( Gliese 229A ), должна была бы сбиться близко, чтобы достичь температуры, подобной земной, что, вероятно, вызовет приливную блокировку . См. Аурелию . Предоставлено: MPIA / V. Йоргенс.

В течение многих лет, астрономы исключили красных карликов с массами в диапазоне от примерно 0,08 до примерно 0,60 солнечных масс ( M ☉ ), в качестве потенциальных обиталищ для жизни. Низкие массы звезд приводят к тому, что реакции ядерного синтеза в их ядрах протекают чрезвычайно медленно, придавая им светимость в диапазоне от максимума примерно 10 процентов от солнечной до минимального всего 0,0125 процента. Следовательно, любая планета, вращающаяся вокруг красного карлика, должна иметь низкую большую полуось , чтобы поддерживать температуру поверхности, подобную земной, от 0,268 астрономических единиц (а.е.) для относительно яркого красного карлика, такого как Лакайль 8760, до 0,032 а.е. для меньшего. звезда, подобная Проксиме Центавра , ближайшей к Солнечной системе звезде . В таком мире год длился бы от 3 до 150 дней. Большая часть низкой светимости красного карлика приходится на инфракрасную и красную части электромагнитного спектра с более низкой энергией, чем желтый свет, в котором Солнце достигает максимума. В результате фотосинтез на планете красных карликов потребует дополнительных фотонов для достижения потенциалов возбуждения, сравнимых с теми, которые необходимы в земном фотосинтезе для переноса электронов, из-за более низкого среднего уровня энергии фотонов в ближнем инфракрасном диапазоне по сравнению с видимым. Придется адаптироваться к гораздо более широкому спектру, чтобы получить максимальное количество энергии, листва на обитаемой планете красных карликов, вероятно, будет казаться черной, если смотреть в видимом свете.

Кроме того, поскольку вода сильно поглощает красный и инфракрасный свет, для водных организмов на красных карликовых планетах будет доступно меньше энергии. Однако подобный эффект предпочтительного поглощения водяным льдом увеличил бы его температуру по сравнению с эквивалентным количеством излучения от звезды, подобной Солнцу, тем самым расширив обитаемую зону красных карликов наружу.

Еще один факт, препятствующий обитаемости, - это эволюция красных карликов; Поскольку у таких звезд есть расширенная фаза, предшествующая главной последовательности, их возможные обитаемые зоны будут примерно на 1 миллиард лет зоной, где вода не будет жидкой, а находится в газообразном состоянии. Таким образом, планеты земной группы в реальных обитаемых зонах, если бы при их формировании были обеспечены обильной поверхностной водой, в течение нескольких сотен миллионов лет они подвергались бы неуправляемому парниковому эффекту . Во время такой ранней фазы выхода из- под контроля парниковых газов фотолиз водяного пара позволил бы водороду уйти в космос и потерять несколько океанов воды на Земле, оставив плотную атмосферу с абиотическим кислородом.

Приливные эффекты

На близких орбитальных расстояниях, которые планеты вокруг красных карликов должны будут поддерживать для существования жидкой воды на их поверхности, вероятна приливная привязка к родительской звезде. Приливная блокировка заставляет планету вращаться вокруг своей оси один раз за каждый оборот вокруг звезды. В результате одна сторона планеты будет вечно обращена к звезде, а другая сторона будет постоянно смотреть в сторону, создавая огромные экстремальные температуры.

В течение многих лет считалось, что жизнь на таких планетах будет ограничена кольцеобразной областью, известной как терминатор , где звезда всегда будет появляться на горизонте или близко к нему. Кроме того , считалось , что эффективная передача тепла между сторонами планеты требует атмосферной циркуляции в качестве атмосферы настолько густой , как запретить фотосинтеза. Утверждалось, что из-за дифференциального нагрева планета, заблокированная приливом, будет испытывать сильные ветры с постоянным проливным дождем в точке, непосредственно обращенной к местной звезде, субсолнечной точке . По мнению одного автора, это делает невозможной сложную жизнь. Растениям придется адаптироваться к постоянному шторму, например, надежно закрепившись в почве и прорастая длинные гибкие листья, которые не ломаются. Животные будут полагаться на инфракрасное зрение, так как сигнализация с помощью звуков или запахов будет затруднена из-за шума всемирного шторма. Однако подводная жизнь будет защищена от сильных ветров и вспышек, а обширные цветения черного фотосинтетического планктона и водорослей могут поддержать морскую жизнь.

В отличие от ранее мрачную картину для жизни, 1997 исследования Роберта Haberle и Манодж Джоши из НАСА «s исследовательского центра Эймса в Калифорнии , показали , что атмосфера планеты (при условии , что включен парниковых газов CO 2 и H 2 O ) необходимо только 100 милли - бар , или 10% от атмосферы Земли, за тепло звезды , чтобы быть эффективно осуществляется на ночной стороне, фигура также в рамках фотосинтеза. Два года спустя исследование, проведенное Мартином Хитом из Гринвичского муниципального колледжа , показало, что морская вода также могла бы эффективно циркулировать без замерзания, если бы океанические бассейны были достаточно глубокими, чтобы обеспечить свободное течение под ледяной шапкой ночной стороны. Кроме того, исследование 2010 года пришло к выводу, что земные водные миры, приливно привязанные к своим звездам, по-прежнему будут иметь температуру выше 240 К (-33 ° C) на ночной стороне. Климатические модели, построенные в 2013 году, показывают, что образование облаков на планетах, заблокированных приливом, сведет к минимуму разницу температур между дневной и ночной сторонами, что значительно улучшит перспективы обитаемости планет красных карликов. Дальнейшие исследования, в том числе рассмотрение количества фотосинтетически активной радиации, показали, что заблокированные приливом планеты в системах красных карликов могут, по крайней мере, быть обитаемыми для высших растений.

Существование постоянной дневной и ночной сторон - не единственное потенциальное препятствие для жизни вокруг красных карликов. Приливное нагревание, испытываемое планетами в обитаемой зоне красных карликов, составляющих менее 30% массы Солнца, может заставить их «выгореть» и превратиться в «приливных Венер». В сочетании с другими препятствиями для обитаемости красных карликов это может сделать вероятность того, что у многих красных карликов есть жизнь, которую мы знаем, очень низкой по сравнению с другими типами звезд. Вокруг многих красных карликов может не хватить воды даже для обитаемых планет; то немногое воды, которое обнаружено на этих планетах, в частности, размером с Землю, может быть расположено на холодной ночной стороне планеты. Однако, в отличие от предсказаний более ранних исследований приливных Венер, эта «захваченная вода» может помочь предотвратить неконтролируемые парниковые эффекты и улучшить обитаемость систем красных карликов.

Спутники газовых гигантов в обитаемой зоне могли бы преодолеть эту проблему, поскольку они будут приливно привязаны к своей главной, а не своей звезде, и, таким образом, будут испытывать цикл день-ночь. Тот же принцип применим к двойным планетам , которые, вероятно, будут связаны друг с другом приливными волнами.

Обратите внимание, однако, что то, как быстро происходит приливная блокировка, может зависеть от океанов и даже атмосферы планеты, и может означать, что приливная блокировка не может произойти даже после многих миллиардов лет. Кроме того, приливная блокировка - не единственное возможное конечное состояние приливного демпфирования. У Меркурия, например, было достаточно времени для приливной блокировки, но он находится в резонансе спиновой орбиты 3: 2.

Изменчивость

Красные карлики гораздо более изменчивы и агрессивны, чем их более стабильные и большие собратья. Часто они покрыты звездными пятнами, которые могут приглушать излучаемый ими свет на 40% в течение нескольких месяцев. На Земле жизнь во многом адаптировалась к таким же низким температурам зимы. Жизнь может выжить, впадая в спячку и / или ныряя в глубокую воду, где температура может быть более постоянной. Океаны потенциально могут замерзнуть во время экстремальных холодов. Если это так, то по окончании периода затемнения альбедо планеты будет выше, чем оно было до затемнения. Это означает, что больше света от красного карлика будет отражаться, что помешает восстановлению температуры или, возможно, еще больше снизит планетарные температуры.

В других случаях красные карлики испускают гигантские вспышки, яркость которых может удвоиться за считанные минуты. Действительно, по мере того, как все больше и больше красных карликов исследуется на предмет изменчивости, все больше из них в той или иной степени классифицируются как вспыхивающие звезды . Такое изменение яркости может быть очень опасным для жизни. Вспышки могут также вызвать потоки заряженных частиц, которые могут отделить значительные части атмосферы планеты. Ученые, поддерживающие гипотезу редкой земли, сомневаются, что красные карлики могут поддерживать жизнь в условиях сильного вспыхивания. Приливная синхронизация, вероятно, приведет к относительно низкому планетарному магнитному моменту . Активные красные карлики, испускающие корональные выбросы массы (CME), будут отклонять магнитосферу назад, пока она не коснется атмосферы планеты. В результате атмосфера подвергнется сильной эрозии, что может сделать планету непригодной для жизни. Было обнаружено, что красные карлики имеют гораздо более низкую скорость CME, чем ожидалось из-за их вращения или вспышечной активности, а большие CME случаются редко. Это говорит о том, что атмосферная эрозия вызывается в основном радиацией, а не выбросами CME.

В противном случае предполагается, что если бы у планеты было магнитное поле, оно бы отклоняло частицы из атмосферы (даже медленное вращение М-карликовой планеты с приливной синхронизацией - она ​​вращается один раз за каждый оборот вокруг своей звезды - было бы достаточно. для создания магнитного поля, пока часть недр планеты оставалась расплавленной). Это магнитное поле должно быть намного сильнее по сравнению с земным, чтобы обеспечить защиту от вспышек наблюдаемой величины (10–1000 Гс по сравнению с земным 0,5 Гс), которые вряд ли возникнут. Но реальные математические модели заключают, что даже при максимально достижимых значениях силы магнитного поля, генерируемого динамо, экзопланеты с массой, подобной земной, теряют значительную часть своей атмосферы из-за эрозии атмосферы экзобазы из-за всплесков CME и XUV- излучения (даже тех, что Земли -подобные планеты ближе 0,8 а.е., влияющие также на звезды G и K, склонны к потере атмосферы). Атмосферная эрозия даже может вызвать истощение водных океанов. Планеты, окутанные густой дымкой из углеводородов, как та, что находится на исконной Земле или спутник Сатурна Титан, все еще могут пережить вспышки, поскольку плавающие капли углеводорода особенно эффективны при поглощении ультрафиолетового излучения.

Еще один способ, которым жизнь могла изначально защитить себя от радиации, - оставаться под водой до тех пор, пока звезда не пройдет стадию своей ранней вспышки, при условии, что планета сможет удерживать достаточно атмосферы, чтобы поддерживать жидкие океаны. Ученые, написавшие телепрограмму « Аурелия », считали, что жизнь может выжить на суше, несмотря на вспыхнувший красный карлик. Как только жизнь достигла суши, небольшое количество ультрафиолета, производимого тихим красным карликом, означает, что жизнь может процветать без озонового слоя и, следовательно, никогда не будет нуждаться в производстве кислорода.

Стоит отметить, что период неистовых вспышек жизненного цикла красных карликов, по оценкам, длится примерно первые 1,2 миллиарда лет его существования. Если планета образуется далеко от красного карлика, чтобы избежать приливной блокировки, а затем мигрирует в обитаемую зону звезды после этого бурного начального периода, у жизни может появиться шанс развиваться.

Было обнаружено, что самые большие вспышки происходят на высоких широтах около полюсов звезд, поэтому, если орбиты экзопланет выровнены с вращением звезды, они меньше подвержены влиянию вспышек, чем считалось ранее.

Избыток

Главное преимущество красных карликов перед другими звездами в качестве пристанища для жизни: они производят световую энергию в течение очень и очень долгого времени. Потребовалось 4,5 миллиарда лет, прежде чем люди появились на Земле, а жизнь, которую мы знаем, будет находиться в подходящих условиях еще 1,5 миллиарда лет или около того. Красные карлики, напротив, могут существовать триллионы лет, потому что их ядерные реакции намного медленнее, чем у более крупных звезд, а это означает, что у обеих жизней будет гораздо больше времени для развития и выживания. Более того, хотя шансы найти планету в обитаемой зоне вокруг какого-либо конкретного красного карлика неизвестны, общее количество обитаемой зоны вокруг всех красных карликов вместе взятых, вероятно, равно общему количеству вокруг звезд, подобных Солнцу, с учетом их повсеместности. Первая супер-Земля с массой в 3-4 раза превышающей массу Земли, обнаруженная в потенциально обитаемой зоне ее звезды, - это Gliese 581g , а ее звезда, Gliese 581 , действительно является красным карликом. Хотя приливно запертый, считается возможным, что на его ограничителе может существовать жидкая вода. Считается, что планета существует около 7 миллиардов лет и имеет достаточно большую массу, чтобы поддерживать атмосферу.

Другая возможность может появиться в далеком будущем, когда в соответствии с компьютерным моделированием красный карлик станет синим карликом, поскольку он исчерпает запасы водорода . Поскольку этот тип звезды более ярок, чем предыдущий красный карлик, планеты, вращающиеся вокруг нее, которые были заморожены на первом этапе, могли бы разморозить в течение нескольких миллиардов лет, которые длится этот этап эволюции (например, 5 миллиардов лет для 0,16  M ☉ звезда), давая жизни возможность появляться и развиваться.

Задержка воды

Планеты могут удерживать значительные количества воды в обитаемой зоне сверххолодных карликов, с оптимальным уровнем в диапазоне 0,08–0,11 M ⊙ , несмотря на FUV-фотолиз воды и вызванный XUV выброс водорода.

Океаны водных миров, вращающихся вокруг М-карликов, могут быть истощены в течение миллиардного времени из-за более интенсивной среды частиц и радиации, которую экзопланеты испытывают в близких обитаемых зонах. Если атмосфера будет истощена за время, меньшее, чем миллиард лет, это может оказаться проблематичным для происхождения жизни ( абиогенеза ) на планете.

Метановая жилая зона

Если возможна жизнь на основе метана (аналогично гипотетической жизни на Титане ), будет вторая обитаемая зона дальше от звезды, соответствующая области, где метан жидкий. Атмосфера Титана прозрачна для красного и инфракрасного света, поэтому ожидается, что больше света от красных карликов достигнет поверхности планеты, подобной Титану.

Частота появления миров размером с Землю вокруг сверхкрутых карликов

Планетная система TRAPPIST-1 (по впечатлениям художника)

Изучение архивных данных Спитцера дает первое представление и оценку того, насколько часто миры размером с Землю встречаются вокруг ультра-холодных карликовых звезд : 30–45%. Компьютерное моделирование обнаружило, что планеты, образующиеся вокруг звезд с массой, подобной TRAPPIST-1 (около 0,084 M ⊙ ), скорее всего, имеют размеры, аналогичные земным.

В художественной литературе

Существуют следующие примеры вымышленных «инопланетян», существующих в звездных системах красных карликов:

  • Сага о тени: В « Саге о тени» Дрю Вагара история разворачивается в Эсурио, планете размером с Землю, захваченной приливами, колонизированной людьми, которая вращается на орбите Лакайла 9352, красного карлика в 10 световых годах от Земли. В книге адекватно описываются резкие контрасты экстремально холодных и пылающих жарких регионов и человеческого ограничения умеренным коридором между обеими зонами, а также описываются некоторые из возможных трудностей, которые человечество средневекового типа испытает в таком мире, например, проблематичный навигация по морским глубинам в мире непрерывного солнечного света без каких-либо ориентиров, таких как звезды, или случайных энергетических вспышек, которые периодически происходят в типичном красном карлике.
  • Ark : В Стивена БакстераArk, послепланета Земля полностью погружена океанов небольшая группа людей Отправляйтесь в межзвездное путешествиеконечном итоге делает его на планетуназванием Земля III. Планета холодная, приливно-запертая, а растения черные (чтобы лучше поглощать свет от красного карлика).
  • Таверна Драко : ВисторияхЛарри Нивена«Таверна Драко»высокоразвитые инопланетяне Чирпситра эволюционировали в заблокированном приливом кислородном мире вокруг красного карлика. Однако никаких подробностей не приводится, кроме того, что это было около 1 земной массы, немного холоднее и использовался солнечный свет красных карликов.
  • Немезида :Исаак Азимовизбегает проблем с приливным эффектом красного карлика Немезиды, делая обитаемую «планету» спутником газового гиганта, который приливно привязан к звезде.
  • Создатель звезды : Внаучно-фантастическомроманеОлафа Стэплдона1937 года«Создатель звезды», одна из многих инопланетных цивилизаций в Млечном Пути, которую он описывает, расположена в зоне терминатора приливно заблокированной планеты системы красных карликов. На этой планете обитают разумныерастения, похожие наморковьс руками, ногами и головой, которые часть времени «спят», внедряясь впочвуна участках земли и поглощая солнечный свет посредствомфотосинтеза, и которые являются частью бодрствования. время, выходя из своих участков почвы как движущиеся существа, которые участвуют во всех сложных действиях современнойиндустриальной цивилизации. Стейплдон также описывает, как на этой планете развивалась жизнь.
  • Супермен : Дом Супермена,Криптон, находился на орбите вокруг красной звезды по имениРао,которая в некоторых историях описывается как красный карлик, хотя его чаще называюткрасным гигантом.
  • Семейство силовых установок : В детском шоу Ready Jet Go! Кэррот, Сельдерей и Джет - это семья пришельцев, известных как Бортронианцы, которые происходят с Бортрона 7, планеты вымышленного красного карлика Игнатца 118 (также называемого Бортроном). Они открыли Землю и Солнце, когда уловили «примитивный» радиосигнал (Эпизод: «Как мы нашли ваше Солнце»). Они также дали описание планет в Бортронской солнечной системе в песне из фильма Ready Jet Go !: Back to Bortron 7 .
  • Аурелия Эта планета, показанная в умозрительном документальном фильме « Внеземные цивилизации» (также известном как « Чужие миры» ) , подробно описывает, на что, по теории ученых, может быть похожа инопланетная жизнь на планете, вращающейся вокруг звезды красного карлика.

Смотрите также

Учебные материалы из Викиверситета:

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Стивенсон, Дэвид С. (2013). Под багровым солнцем: перспективы жизни в системе красных карликов . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Выходные данные: Springer. ISBN 978-1461481324.

внешние ссылки