В последнее время изучение экзопланет было сосредоточено на обнаружении каменистых планет умеренного размера, подобных Земле, которые часто называют жизнеспособными планетами. Большинство последних миссий нацелены на звезды, которые холоднее Солнца. Такие звезды известны как красные карлики или звезды М-типа, которых много в наших окрестностях.

Для поддержания умеренного климата планете необходимы мягкая инсоляция и достаточное количество морской воды. Предыдущие модели формирования планет однако предполагают, что частота появления планет, удовлетворяющих таким условиям, вокруг звезд М-типа невелика. Новые симуляции, проведенные докторантом Токийского университета Тадахиро Кимурой и профессором Масахиро Икомой из Отдела наук NAOJ, сосредоточились на формировании богатой водородом атмосферы из протопланетного диска и производстве воды в результате реакции между атмосферой и океаном магмы.

Они разработали новую модель формирования планет и, таким образом, предсказали количество морской воды на экзопланетах, вращающихся вокруг звезд М-типа. В результате, по их оценкам, несколько процентов планет с землеподобными радиусом и инсоляцией, вращающихся вокруг звезд М-типа, имеют умеренное количество морской воды. Это позволяет предположить, что открытие планет с умеренным климатом в ближайшее десятилетие вполне вероятно. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy 29 сентября.

С момента первого открытия в 1995 году, было обнаружено более 5 000 планет, вращающихся вокруг звезд, отличных от Солнца (экзопланет). Обнаружение такого большого количества экзопланет показало, что планетные системы очень распространены во Вселенной. С другой стороны, стало понятно, что экзопланеты отличаются размером, составом, расстоянием от центральной звезды и инсоляцией.

Среди обнаруженных на сегодня планет есть много планет размером с Землю. Вопрос о том, есть ли среди них планеты с умеренным климатом, как на Земле, представляет большой интерес. Вода необходима для жизни на Земле, но вода также играет важную роль в климате. Известно, что для поддержания умеренного климата необходимо сдержанное количество звездного излучения, а также океан с умеренным количеством воды.

Современная Земля способна поддерживать теплый климат благодаря функционированию углеродного цикла с помощью тектоники плит и континентального выветривания; если бы количество океанической воды было в несколько десятков раз больше, чем на Земле, углеродный цикл был бы ограничен, что привело бы к чрезвычайно жаркому или холодному климату.

Широко распространена идея о том, что океаны современной Земли были доставлены водоносными каменистыми или ледяными телами. Предыдущие исследования, которые применили эту идею к экзопланетам вокруг звезд М-типа, позволили предсказать, что планеты с умеренным содержанием воды встречаются редко, предполагая, что хотя звезды М-типа являются основной целью будущих поисков пригодных для жизни планет, вероятность обнаружения пригодных для жизни планет крайне мала.

С другой стороны, производство воды в накапливающейся атмосфере было предложено в качестве альтернативного процесса получения воды в предыдущем исследовании профессора Икомы и его коллеги. Как правило, когда планета растет в протопланетном диске, она гравитационно захватывает газ из диска и формирует атмосферу, состоящую преимущественно из водорода.

Кроме того, считается, что каменистая поверхность планеты в процессе роста расплавлена под воздействием тепла небесных ударов; а именно, планета покрыта океаном магмы. В это время химическая реакция между атмосферным водородом и оксидами в магматическом океане приводит к образованию воды. Учитывая эффекты такой реакции образования воды, можно сформировать планету, более богатую на воду, чем в обычных теоретических моделях.

Количество приобретенных планетой гидрогенных пород и количество воды, полученной в результате реакций, приводящих к образованию воды, сильно зависят от процесса формирования планеты. В этом исследовании Кимура и Икома разработали новую модель синтеза планетарной популяции для переоценки частоты водных планет во внесолнечных системах вокруг звезд М-типа.

Модель отслеживает рост массы и орбитальную эволюцию планет, основываясь на последних теориях планетообразования, и может рассчитать количество воды, приобретенной в процессе. В дополнение к ранее рассмотренному приобретению гидрогенных пород, модель также учитывает эффект производства воды в первоначальной атмосфере.

Численное моделирование с использованием этой модели показывает, что в разных местах образуется широкий спектр планет разных размеров и атмосферных масс.

Экзопланеты, вращающиеся вокруг звезд М-типа, могут хранить очень разнообразные количества воды, когда происходит ее образование в первоначальной атмосфере. Некоторые из этих планет сформировались с таким же количеством морской воды, как и на Земле. Большая часть морской воды на этих планетах появилась благодаря производству воды в атмосфере. Анализ расчетных данных позволил предположить, что несколько процентов планет с радиусами от 0,7 до 1,3 раза больше земного сохраняют достаточное количество воды для поддержания умеренного климата (примерно в 0,1-100 раз больше земного содержание морской воды).

Ожидается, что в рамках текущих и будущих программ исследования экзопланет, таких как TESS и PLATO, в жилой зоне вокруг звезд М-типа будет обнаружено около 100 планет размером с Землю. Результаты этого исследования показывают, что некоторые из этих планет будут аквапланетами с теплым климатом, подобным земному.

Наблюдения атмосферных спектров экзопланет с помощью инфракрасных космических телескопов JWST и Ariel также покажут наличие молекул воды и других элементов в атмосфере. Ожидается, что эти наблюдения подтвердят теоретические предсказания этого исследования и позволят лучше понять процесс формирования водных планет, таких как Земля.

Источник: Национальная астрономическая обсерватория Японии (NAOJ).