Землянам пощастило. Наша планета має міцний магнітний щит. Без магнітосфери сонячне випромінювання, ймовірно, припинило б життя на Землі ще до того, як воно почало. А наше Сонце досить ручне, в зоряному плані.
Як виглядають екзопланети, що обертаються навколо більш активних зірок?
Багато людей, ймовірно, рідко замислюються про захисну магнітосферу Землі. Можливо, їм пощастить кинути погляд на полярні сяйва й помітити, наскільки вони прекрасні. Але полярні цукерки для очей – це саме те: цукерки для очей. Справжнім даром магнітосфери може бути саме життя.
Полярне сяйво з Міжнародної космічної станції 28 червня 2014 року, зроблене астронавтом Рідом Вайзманом. Авторство: Рід Вайзман/НАСА.
За зоряною термінологією наше Сонце — це a G-тип зірка головної послідовності. Зірки типу G відносно спокійні та стійкі, хоча, звичайно, вони коливаються та спалахують, як їхні більш активні родичі, М-тип зірки. Але незалежно від того, чи є зірка М-типу чи G-типу, активність спалаху може бути серйозною небезпекою для екзопланети та її шансів на розвиток життя.
Зірка типу М також відома як червоний карлик, і вони можуть спалахнути набагато більше, ніж наше Сонце. Нове дослідження вказує на те, що випромінювання та спалах будь-якої зірки, як G, так і M-типу, є серйозним обмеженням для придатності екзопланет до життя.
«Це зробить життя на таких планетах вразливим до частих радіаційних вибухів на рівні зникнення за земними стандартами, і виживуть лише високорадіостійкі екстремофіли».
Дмитро Атрі, автор, Нью-Йоркський університет, Абу-Дабі
Стаття має назву « Доза випромінювання поверхні, викликана подією зоряних протонів, як обмеження для придатності земних екзопланет ». Він опублікований у виданні Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters. Єдиний автор – Дмитро Атрі з Нью-Йоркського університету в Абу-Дабі, Об’єднані Арабські Емірати.
Серед приблизно 4000 екзопланет, які ми відкрили на даний момент, лише невелика частина з них знаходиться в зонах життя своїх зірок. Це означає, що температура знаходиться в правильному діапазоні для існування рідкої води на поверхні планети, враховуючи розумне припущення про атмосферний тиск планети. Значна частина з них (близько 17) знаходиться в консервативній зоні життя своїх зірок. Ще близько 30 – це те, що називається оптимістичною житловою зоною, ширше, ніж консервативна зона.
Виходячи з даних Кеплера, може бути як аж 40 млрд Планети розміром із Землю, що обертаються в придатних для життя зонах червоних карликів і сонячних зірок.
Ілюстрація художника житлової зони навколо різних типів зірок. Авторство: NASA
Але без надійної магнітосфери, яка б захистила їх від зірок, скільки з них можна вважати реальною зоною проживання?
У прес-релізі Атрі сказав: «Оскільки ми продовжуємо досліджувати планети Сонячної системи та за її межами, виявлення, чи мають ці планети здатність підтримувати життя, продовжує мати величезне значення. Більший прогрес у цій області покращить наше розуміння зв’язку між екстремальними сонячними подіями, дозою радіації та придатністю для життя на планеті».
У статті Атрі розглядається все випромінювання, яке зірки спрямовують на свої планети. Зоряні спалахи, викиди корональної маси (CME) і події зоряних протонів (SPE) можуть різко бомбардувати планети нетепловим випромінюванням, що складається з рентгенівських променів, EUV (XUV) і зоряних енергетичних частинок (SEP). Усе це може роз’їдати атмосферу планети, ініціювати фотохімічні зміни та залити планету радіацією.
Це концепція художника про червоний карлик, який зазнає потужного виверження, яке називається зоряним спалахом. На передньому плані — гіпотетична планета. Авторство: NASA/ESA/G. бекон (STScI)
Магнітний щит планети може захистити її від цих спалахів, а атмосфера також може відігравати захисну роль. У дослідженні Атрі він подивився на спектри частинок від 70 основних подій, що випромінюють спалахи (спостерігалися між 1956 і 2012 роками). Він виміряв як спектр спалахів, так і їхню силу, і порівняв його із захисною природою магнітного екрана та атмосфери.
Ми знаємо багато про те, як сонячний вітер і спалахи взаємодіють з магнітосферою Землі. Це дозволило Атрі оцінити, як екзопланети реагують на спалахи. Атрі зосередився на прямому впливі випромінювання від спалахів на життя, а не на непрямих ефектах, як-от розрив атмосфери.
Коли зірка спалахує, вона дозує планету радіацією. Згідно з дослідженням Атрі, вплив радіації на планету безпосередньо пов’язаний не тільки з силою її магнітного поля, але і з глибиною стовпа її атмосфери. Різкі спалахи іонізуючого випромінювання, які вражають планету від спалаху, можуть не тільки пошкодити або вбити організми, але також можуть змінити їх середовище проживання без достатнього магнітного та атмосферного захисту.
Враження художника про Венеру з сонячним вітром, що обтікає планету, яка не має магнітного захисту. Venus Express виявив, що протягом багатьох років з планети в космос злилося багато води, що відбувається, коли ультрафіолетове випромінювання Сонця розриває молекули кисню та водню і штовхає їх у космос. Авторство: ESA – C. Carreau
Це не зовсім заголовні новини. Ми знаємо, що радіація від зірок небезпечна. Але Атрі пішов далі: він спробував кількісно оцінити, як спалахи однакової сили можуть впливати на придатність для життя залежно від спектрів цих спалахів. Його результати показують мінливість на п’ять порядків для спалахів з однаковою енергією, але різними спектрами.
Глибина атмосферного стовпа мала подібний ефект. «З точки зору екранування, ми виявили, що глибина атмосфери (щільність колони) є основним фактором у визначенні дози радіації на поверхні планети. Доза радіації зменшується на 3 порядки, що відповідає збільшенню глибини атмосфери на порядок».
Атмосфера Землі відіграє важливу роль у захисті нас від активності Сонця. Нове дослідження свідчить, що стовпчаста глибина атмосфери екзопланети є фактором захисту планети від радіації. Автор зображення: NASA
Можливо, дивно, але сила магнітосфери мала менший захисний ефект від випромінювання. «Ми виявили, що магнітне поле планети є важливим, але менш важливим фактором порівняно з глибиною атмосфери. Доза зменшується приблизно в 30 разів, що відповідає зростанню сили магнітосфери на порядок».
Але магнітне поле планети відіграє додаткову роль. «Однак слід зазначити, що планетарне магнітне поле має вирішальне значення для підтримки істотної атмосфери на планеті», – йдеться у дослідженні.
Ми багато дізналися про швидкість спалаху в зірках, що є частиною розуміння можливості проживання на екзопланетах. Сонце випромінює потужні спалахи до 1035ергів кожні 2000-3000 років, тоді як інші зірки М-типу, молодші та швидше обертаються, можуть випромінювати їх у 100 разів частіше. Інші зірки відомі як «спалахи», тому що вони виробляють так звані суперспалахи, потужніші, ніж наше Сонце. Враховуючи, що багато з них є червоними карликами, типом зірки, на якій зустрічається більшість екзопланет, прогноз щодо придатності для життя є сумнівним.
Але, як зазначає робота Атрі, не тільки сила спалаху, а й його спектр накладає обмеження на придатність для проживання.
Як він говорить у висновку: «Хоча останні спостереження дали нам хороші вимірювання швидкості спалаху найближчих зірок, основним джерелом невизначеності в цій роботі є відсутність вимірювання частинок, викинутих спалахами високої енергії (10).32–1036?erg) на інших зірках. Більший прогрес у цій області покращить наше розуміння зв’язку між екстремальними сонячними подіями, дозою радіації та придатністю для життя на планеті».
Це концепція митця про глобальне магнітне поле Землі з ударним ударом. Земля знаходиться в центрі зображення, оточена своїм магнітним полем, представленим фіолетовими лініями. Луковий амортизатор – синій півмісяць праворуч. Багато енергетичних частинок сонячного вітру, зображених золотом, відхиляються магнітним «щитом» Землі. Авторство: Волт Феймер (HTSI)/НАСА/Лабораторія концептуальних зображень Центру космічних польотів Годдарда
Можливо, без захисту від спалахів, як магнітних, так і атмосферних, багато планет, які ми класифікуємо як придатні для життя, просто не можуть бути. Або може бути так, що придатність для проживання обмежена екстремофілами. Як говорить Атрі у своїй статті: «Це зробить життя на таких планетах вразливим до частих радіаційних вибухів на рівні зникнення за земними стандартами, і виживуть лише високорадіорезистентні екстремофіли. Такі рівні очікуються для близьких планет».
Це останнє речення може бути особливо осудливим.
Оскільки червоних карликів так багато в Чумацького Шляху, саме там ми знаходимо більшість екзопланет. І оскільки ці зірки в середньому виділяють менше енергії, їх зона життя набагато ближче, ніж навколо такої зірки, як наше Сонце. Це означає, що без достатньої кількості магнітосфери та без достатньо глибокої атмосфери багато планет, які ми вважаємо потенційно придатними для життя, просто не є такими.
Більше:
- Прес-реліз: Дослідник Нью-Йоркського університету в Абу-Дабі виявив, що екзопланети можуть бути менш придатними для життя через спалахи зірок
- дослідження: Доза випромінювання поверхні, викликана подією зоряних протонів, як обмеження для придатності земних екзопланет
- Всесвіт сьогодні: Червоний гном вибухає суперспалахом. У будь-якого життя на його планетах був би дуже поганий день