Согласно новому исследованию междисциплинарной группы ученых из Калифорнийского университета в Санта-Крусе (UCSC), радиоактивные элементы важны для определения обитаемости планеты. Поэтому в будущих исследованиях скалистых экзопланет следует искать конкретные изотопы, указывающие на присутствие долгоживущих элементов, таких как торий и уран.
На Земле внутренний нагрев, вызванный медленным распадом этих тяжелых радиоактивных элементов, приводит в движение тектонику плит, которая может быть необходима, чтобы поддерживать магнитное поле Земли. Оно защищает Землю от радиации, космических лучей и предотвращает разрушение нашей атмосферы. Вот почему охотники за экзопланетами и астробиологи считают, что магнитные поля могут иметь решающее значение для обитаемости.
Магнитное поле и электрические токи внутри и вокруг Земли создают сложные силы, которые оказывают неизмеримое влияние на повседневную жизнь Фото: ESA / ATG medialab
«Долгое время предполагалось, что внутреннее нагревание приводит в движение тектонику плит, которая вызывает круговорот углерода и геологическую активность, такую как вулканизм, который создает атмосферу. А способность удерживать атмосферу связана с магнитным полем, которое также вызывается внутренним нагревом».
Профессор астрономии и астрофизики Натали Баталья (UCSC)
Круговорот углерода относится к процессу, при котором углекислый газ (CO2) добавляется в атмосферу в результате вулканической активности и изолируется в результате взаимодействия с различными минералами (что приводит к образованию карбонатов). Этот процесс важен для поддержания стабильной температуры в течение долгого времени, что обеспечивает возможность протекания сложных долгосрочных эволюционных процессов.
При отсутствии магнитного поля солнечный ветер может неуклонно разрушать атмосферу планеты. Именно это произошло на Марсе, где исчезновение его магнитного поля привело к потере большей части его атмосферы и выбросу поверхностных вод в космос. В результате он превратился в холодную, иссушенную и облученную планету.
A new study identifies internal heating from radioactive decay as a critical factor in a planet’s ability to generate a magnetic field and retain an atmosphere. Credit: Illustration by Melissa Weiss for UC Santa Cruz
На Земле магнитное поле является результатом конвекции в ее жидком внешнем ядре, которое своим вращением, противоположным вращению Земли, создает эффект динамо. Для его поддержания необходимы радиоактивные элементы, обеспечивающие внутренний нагрев за счет медленного распада.
«Мы поняли, что разные планеты накапливают разное количество этих радиоактивных элементов, которые в конечном итоге приводят в действие геологическую активность и магнитное поле. Итак, чтобы увидеть, что происходит, мы взяли модель Земли и увеличили и уменьшили количество внутреннего радиогенного производства тепла».
Фрэнсис Ниммо, профессор UCSC и ведущий автор исследования
Ученые обнаружили, что существует критический баланс, когда речь идет о радиоактивных элементах и радиогенном нагреве. Слишком сильный, больше того, который испытывает Земля, привел бы к ряду негативных последствий для потенциальной обитаемости.
Поскольку торий и уран на Земле в основном находятся в мантии, их избыток может заставить мантию действовать как изолятор. Это помешало бы расплавленному внешнему ядру выделять достаточно тепла для поддержания конвективных движений. Слишком сильное радиогенное нагревание приведет к гораздо большей вулканической активности, что может вызвать события уровня исчезновения, а сишком слабое - не к вулканизму, а к геологически «мертвой» планете.
Схема некоторых известных близлежащих звезд. По оценкам, около 14 600 звезд находятся в 100 световых годах от Солнца Фото: Эндрю З. Колвин / Википедия
«Теперь, когда мы видим важные последствия изменения количества радиогенного нагрева, упрощенную модель, которую мы использовали, следует проверить с помощью более подробных расчетов».
Фрэнсис Ниммо
Слияние нейтронных звезд вызывает образование тяжелых элементов, таких как торий и уран, что случается крайне редко. Поэтому их наличие в околосолнечном диске, из которого формируются системы планет, будет зависеть от близости этих редких событий. Это привело бы к значительной вариабельности планетных систем.
Чтобы определить диапазон изменчивости, Ниммо и его коллеги обратились к проведенным астрономами измерениям европия близлежащих звезд. Этот элемент, который создается в результате тех же процессов, что и торий и уран, легко обнаружить в спектрах близлежащих звезд и можно использовать для определения того, насколько оба в них распространены.
Введя эти измерения в свои модели радиогенного нагрева, исследовательская группа Ниммо смогла установить ряд оценок радиоактивных элементов в близлежащих звездных системах. Земля и Солнечная система находятся в центре этого диапазона. При этом одни исследованные звезды имели вдвое меньше европия, чем Солнце, а другие -вдвое больше.
Телескоп Джеймса Уэбба НАСА предоставит больше информации о ранее обнаруженных экзопланетах Фото: НАСА
«Это сложная история, потому что обе крайности имеют значение для обитаемости. Для поддержания тектоники плит нужен достаточный радиогенный нагрев, но не настолько сильный, чтобы отключить магнитное динамо. В конце концов, мы ищем наиболее подходящие жилища для жизни. Обилие урана и тория, по-видимому, являются ключевыми факторами, возможно, даже еще одним измерением для определения планеты Златовласки ».
Натали Баталья
Важность и изменчивость радиогенного нагрева открывают много новых возможностей для исследований экзопланет и астробиологии. Во-первых, астрономы могут использовать спектроскопию для измерения содержания европия в звездах и делать выводы об уровне радиогенных элементов на любых планетах, вращающихся вокруг них. Космические инструменты следующего поколения, такие как телескоп Джеймса Уэбба, прекрасно подходят для этой задачи.
Источник:
Комментариев нет:
Отправить комментарий