Придатна для проживання зона: Пояс, де можуть приховуватися 40 мільярдів Земель

Дані космічного телескопа Kepler, оголошені 4 листопада 2013 року, вказували приблизно на 40 мільярдів світів розміром з Землю, які могли б орбітувати в межах зон, де рідка вода могла б вижити навколо зір, подібних до Сонця, та червоних карликів, розсіяних по Чумацькому Шляху. Це одне число переробило те, як астрономи говорять про нашу галактику — не як розсіяння зір, а як щільне поле місць, де рідка вода могла б правдоподібно накопичуватися на кам'яній поверхні.

Придатна для проживання зона сама по собі є оманливо простою ідеєю: діапазон відстаней від зірки, де планета могла б бути досить гарячою, щоб утримувати рідку воду, але не настільки гарячою, щоб вона кипіла. Це звучить як базова геометрія, але справжня наука складніша — атмосфера планети, її орбіта та темперамент самої зірки спричиняють усім межам навколо. Цей посібник проведе вас через походження ідеї, що вона насправді передбачає та де вона розривається.

Термін "придатна для проживання зона" можливо вперше з'явився в 1913 році в книзі астронома Едварда Маундера Are The Planets Inhabited? — десятиліття до того, як хтось підтвердив єдину планету за межами нашої Сонячної системи. Маундер міркував з перших принципів: температура планети залежить від її відстані від зірки, тому повинна бути смуга, де ця температура дозволяє рідку воду.

Сучасна версія концепції, яку астрономи насправді використовують сьогодні, була запропонована в 1959 році астрофізиком Су-Шу Хуаном, який будував її навколо кліматичних обмежень, які зірка-господар накладає на будь-яку планету, що її обертає. Рамки Хуана — це причина, чому фраза "придатна для проживання зона" тепер з'являється в практично кожному оголошенні про відкриття екзопланети — вона дає репортерам та дослідникам швидкий скорочення для "ця планета приблизно на правильній відстані".

Kepler-452b є одним з найяскравіших прикладів ідеї в дії. Вона обертається навколо своєї зірки на відстані 1,04 АО (156 мільйонів км) — майже рівно відстань Землі від Сонця — завершуючи орбіту кожні 385 днів з радіусом приблизно в 1,63 раза більше Землі та масою щонайменше в три рази більше Землі. Те, що робить це більш примітним, це час: Kepler-452b витратив більшість свого існування всередині придатної для проживання зони своєї зірки, трохи більше шести мільярдів років і подальше, довше, ніж Земля взагалі існує.

Не кожна планета придатної для проживання зони обертається навколо зірки, подібної Сонцю. Ефективна температура TRAPPIST-1 становить лише 2566 К (2293°C); це робить її, станом на 2022 рік, найхолоднішою відомою зіркою, що приймає планети — нагадування про те, що зона зміщується всередину, а не назовні, навколо тьмяних, холодних зір. І пошук не обмежується малими, спокійними системами: 55 Cancri f було знайдено орбітуючи в межах придатної для проживання зони своєї зірки, 55 Cancri A, частини системи, яка стала єдиною крім нашої, про яку відомо, що приймає п'ять планет. Система 55 Cancri знаходиться на відстані 41 світлових років і відлунює форму нашої Сонячної системи — чотири планети щільно упаковані та один гігантський світ далі — однак немає аналога Землі чи Марса. Ця п'ята планета, 55 Cancri f, приблизно половина розміру Сатурна, щонайменше в 45 разів більше за масою Землю, і завершує орбіту на 0,785 АО кожні 260,8 днів — газовий гігант, сидячи там, де могли б очікувати кам'яний світ.

Перебування в придатній для проживання зоні нічого не говорить про те, з чого насправді складається планета, і саме тут дані щільності стають важливими. Серед відомої популяції екзопланет щільність досягає піку на 7,6 грамів на кубічний сантиметр для планет навколо 1,4 радіусів Землі — щільніше, при цьому розмірі, ніж майже все решта у переписі. Однак за межами приблизно 1,5 радіусів Землі щільність планети швидко падає, ознака того, що ці світи мають товстий шар летючих речовин на кам'яному ядрі, а не виключно кам'яні. Планета придатної для проживання зони, яка виглядає розміром з Землю на папері, могла б, на практиці, бути малим газовим світом без твердої поверхні.

Оцінка поширеності цих планет була рухомою мішенню. Дослідження 2013 року Dressing та Charbonneau використовували дані Kepler для розрахування того, що холодні зірки мають приблизно 0,15 придатної для проживання зони планети розміром з Землю на зірку. Пізніший аналіз підвищив цю оцінку до 0,48-0,53 придатної для проживання зони планет на червоний карлик, залежно від того, наскільки консервативно проведені краї зони — більше ніж у три рази від початкової цифри, просто розраховуючи припущення про те, де починається і закінчується зона. Це коливання є корисним уроком: придатна для проживання зона — це не фіксована, універсально погоджена лінія, це робоча оцінка, яка змінюється в міру удосконалення моделей.

Навіть планета, що сидить в геометричному центрі придатної для проживання зони своєї зірки, залежить від передбачуваної поведінки цієї зірки. Само Сонце залишається чудово стабільним, з загальною яскравістю, що змінюється лише на 0,1% протягом приблизно 11-річного циклу сонячної активності — набагато м'якший коливання, ніж спостерігається у зірках, які пульсують та спалахують набагато більш насильницьким способом, і велика частина причини того, чому клімат Землі залишався придатним для проживання геологічне час. Стабільність не гарантована, однак, і її відсутність залишає слід: 70-річна пауза в сонячних плямах, названа Мінімум Маундера, що охоплює кінець XVII та початок XVIII століття, була пов'язана з найхолоднішою ділянкою Малого льодовикового періоду, коли Європа та Північна Америка витримали жорстко холодні зими. Крихітні коливання у вихідній потужності зірки можуть штовхнути клімат цілої планети протягом поколінь.

Придатна для проживання зона зазвичай малюється як чистий дріб, але мало планет насправді подорожують по круговій траєкторії. Вимірювання орбітальної ексцентриситету екзопланет здивували дослідників: 90% більш екстравагантні за будь-що в Сонячній системі, а середня ексцентриситет становить 0,25. Планета на розтягнутій, еліптичній орбіті може коливатися від зовнішнього краю придатної для проживання зони до внутрішнього краю і назад протягом одного року, перетворюючи «зону», яка виглядає стабільною, на набагато жорсткішу, більш мінливу їзду.

• ScienceDaily: Astronomers Discover Record Fifth Planet Around Nearby Star 55 Cancri
• arXiv: The Mass-Radius Relation for 65 Exoplanets Smaller than 4 Earth Radii
• arXiv: A revised estimate of the occurrence rate of terrestrial planets in the habitable zones around Kepler M-dwarfs
• NASA Science: Solar Variability and Terrestrial Climate
• Wikipedia: Habitable zone
• Wikipedia: Kepler-452b
• Wikipedia: TRAPPIST-1
• Wikipedia: Planetary habitability