Обитаемость естественных спутников — это потенциал лун , чтобы обеспечить среду обитания для жизни , хотя это не показатель того, что они ее содержат. Ожидается, что естественные спутники будут намного превосходить планеты по численности , и поэтому изучение их обитаемости важно для астробиологии и поиска внеземной жизни . Тем не менее, существуют значительные экологические переменные, характерные для лун.
Прогнозируется, что параметры поверхностных местообитаний будут сопоставимы с параметрами планет, таких как Земля, а именно: звездные свойства, орбита, планетарная масса , атмосфера и геология. Из естественных спутников в обитаемой зоне Солнечной системы — Луна , два марсианских спутника (хотя некоторые оценки помещают их за ее пределы) [1] и многочисленные луны малых планет — все не имеют условий для поверхностной воды. В отличие от Земли, все луны планетарной массы Солнечной системы приливно заблокированы , и пока неизвестно, в какой степени это и приливные силы влияют на обитаемость.
Исследования показывают, что возможны глубокие биосферы , подобные земной. [2] Поэтому наиболее сильными кандидатами в настоящее время являются ледяные спутники [3], такие как спутники Юпитера и Сатурна — Европа [4] и Энцелад [5] соответственно, в которых, как полагают, существует подповерхностная жидкая вода. Хотя лунная поверхность враждебна к жизни, какой мы ее знаем, глубокая лунная биосфера (или биосфера подобных тел) пока не может быть исключена; [6] [7] для подтверждения потребуются глубокие исследования.
Существование экзолун пока не подтверждено, и их обнаружение может быть ограничено изменением времени транзита , которое в настоящее время недостаточно чувствительно. [8] Возможно, что некоторые из их атрибутов могут быть обнаружены путем изучения их транзитов . [9] Несмотря на это, некоторые ученые подсчитали, что существует столько же пригодных для жизни экзолун , сколько и пригодных для жизни экзопланет . [10] [11] Учитывая общее отношение масс планет к спутникам, равное 10 000, газовые гиганты в обитаемой зоне считаются лучшими кандидатами на то, чтобы иметь приют для себя луны , подобные Земле . [12]
Приливные силы , вероятно, играют такую же важную роль в обеспечении тепла, как и звездное излучение . [13] [14]
Условия обитаемости естественных спутников аналогичны условиям обитаемости планет . Однако есть несколько факторов, которые отличают обитаемость естественных спутников и дополнительно расширяют их обитаемость за пределы планетарной зоны обитаемости. [15]
Большинство астробиологов считают, что жидкая вода является необходимым условием для внеземной жизни. Появляется все больше доказательств наличия подповерхностной жидкой воды на нескольких лунах Солнечной системы, вращающихся вокруг газовых гигантов Юпитера , Сатурна , Урана и Нептуна . Однако ни одно из этих подповерхностных водоемов не было подтверждено на сегодняшний день.
Для стабильной орбиты отношение между периодом обращения луны P s вокруг ее главной звезды P p должно быть < 1 ⁄ 9 , например, если планете требуется 90 дней, чтобы совершить оборот вокруг своей звезды, максимальная стабильная орбита для луны этой планеты составляет менее 10 дней. [16] [17] Моделирование показывает, что луна с периодом обращения менее 45–60 дней останется надежно связанной с массивной гигантской планетой или коричневым карликом , который вращается на расстоянии 1 а.е. от звезды, подобной Солнцу. [18]
Атмосфера, по мнению астробиологов, важна для развития пребиотической химии , поддержания жизни и существования поверхностной воды. Большинство естественных спутников в Солнечной системе не имеют значительной атмосферы, единственным исключением является луна Сатурна Титан . [19]
Распыление , процесс, при котором атомы выбрасываются из твердого материала мишени из-за бомбардировки мишени энергичными частицами, представляет собой существенную проблему для естественных спутников. Все газовые гиганты в Солнечной системе и, вероятно, те, которые вращаются вокруг других звезд, имеют магнитосферы с радиационными поясами, достаточно мощными, чтобы полностью разрушить атмосферу луны, похожей на Землю, всего за несколько сотен миллионов лет. Сильные звездные ветры также могут срывать атомы газа с верхней части атмосферы, заставляя их теряться в космосе.
Чтобы поддерживать атмосферу, подобную земной, в течение примерно 4,6 млрд лет (текущий возраст Земли), луне с плотностью, подобной марсианской, по оценкам, потребуется не менее 7% массы Земли. [20] Один из способов уменьшить потери от распыления — иметь сильное собственное магнитное поле , которое может отклонять звездный ветер и радиационные пояса. Измерения Галилео НАСА показывают, что большие луны могут иметь магнитные поля; он обнаружил, что у Ганимеда есть собственная магнитосфера, хотя его масса составляет всего 2,5% от массы Земли. [18] В качестве альтернативы, атмосфера луны может постоянно пополняться газами из подповерхностных источников, как, по мнению некоторых ученых, происходит в случае с Титаном. [21]
Хотя влияние приливного ускорения на планеты относительно невелико, оно может стать существенным источником энергии для естественных спутников и альтернативным источником энергии для поддержания жизни.
Луны, вращающиеся вокруг газовых гигантов или коричневых карликов , вероятно, будут приливно заблокированы со своей главной звездой: то есть их дни будут такими же длинными, как и их орбиты. Хотя приливная блокировка может отрицательно влиять на планеты в пределах обитаемых зон, вмешиваясь в распределение звездного излучения, она может работать в пользу обитаемости спутников, допуская приливный нагрев . Ученые из Исследовательского центра Эймса НАСА смоделировали температуру на приливно заблокированных экзопланетах в зоне обитаемости красных карликовых звезд. Они обнаружили, что атмосфера с углекислым газом ( CO
2) давление всего 1–1,5 стандартных атмосфер (15–22 фунта на квадратный дюйм) не только допускает обитаемые температуры, но и позволяет иметь жидкую воду на темной стороне спутника. Диапазон температур луны, которая приливно заперта у газового гиганта, может быть менее экстремальным, чем у планеты, запертой у звезды. Несмотря на то, что никаких исследований по этому вопросу не проводилось, скромные количества CO
2Предполагается, что температура может сделать ее пригодной для жизни. [18]
Приливные эффекты также могут позволить луне поддерживать тектонику плит , что может привести к вулканической активности, регулирующей температуру луны [22] [23] и создать эффект геодинамо , который может дать спутнику сильное магнитное поле . [24]
При условии, что гравитационным взаимодействием луны с другими спутниками можно пренебречь, луны, как правило, приливно заперты со своими планетами. В дополнение к вращательной блокировке, упомянутой выше, будет также иметь место процесс, называемый «эрозией наклона», который изначально был придуман для приливной эрозии планетарного наклона относительно орбиты планеты вокруг ее звезды-хозяина. [25] Конечное состояние спина луны тогда состоит из периода вращения, равного ее орбитальному периоду вокруг планеты, и оси вращения, которая перпендикулярна плоскости орбиты.
Если масса луны не слишком мала по сравнению с планетой, она может, в свою очередь, стабилизировать наклон оси планеты , т. е. ее наклон относительно орбиты вокруг звезды. На Земле Луна сыграла важную роль в стабилизации наклона оси Земли, тем самым уменьшая влияние гравитационных возмущений от других планет и обеспечивая лишь умеренные изменения климата по всей планете. [26] Однако на Марсе , планете без значительных приливных эффектов от ее относительно маломассивных лун Фобоса и Деймоса , наклон оси может претерпевать экстремальные изменения от 13° до 40° в масштабах времени от 5 до 10 миллионов лет . [27] [28]
Приливная блокировка с гигантской планетой или субкоричневым карликом допускает более умеренный климат на луне, чем если бы луна была планетой аналогичного размера, вращающейся по орбите в замкнутом вращении в обитаемой зоне звезды. [29] Это особенно верно для систем красных карликов , где сравнительно высокие гравитационные силы и низкая светимость оставляют обитаемую зону в области, где происходит приливная блокировка. Если приливная блокировка, один оборот вокруг оси может занять много времени относительно планеты (например, игнорируя небольшой наклон оси Луны Земли и топографическое затенение, любая заданная точка на ней имеет две недели — по земному времени — солнечного света и две недели ночи в ее лунный день), но эти длительные периоды света и темноты не так сложны для обитаемости, как вечные дни и вечные ночи на планете, приливно заблокированной со своей звездой.
В 2012 году ученые ввели концепцию определения обитаемых орбит лун. [30] Эта концепция похожа на околозвездную обитаемую зону для планет, вращающихся вокруг звезды, но для лун, вращающихся вокруг планеты. Эта внутренняя граница, которую они называют околопланетным обитаемым краем, определяет область, в которой луна может быть обитаемой вокруг своей планеты. Луны, которые находятся ближе к своей планете, чем обитаемый край, являются необитаемыми.
Магнитная среда экзолун, которая критически обусловлена собственным магнитным полем планеты-хозяина, была определена как еще один фактор обитаемости экзолун. [31] В частности, было обнаружено, что луны на расстоянии от 5 до 20 планетарных радиусов от гигантской планеты могут быть пригодны для жизни с точки зрения освещения и приливного нагрева, [31] но все же планетарная магнитосфера будет критически влиять на их обитаемость. [31]
Экзопланеты размером с Землю в обитаемой зоне вокруг красных карликов часто приливно захвачены звездой-хозяином. Это приводит к тому, что одно полушарие всегда обращено к звезде, а другое остается в темноте. Как и экзопланета, экзолуна потенциально может стать приливно захваченной своей главной звездой. Однако, поскольку главная звезда экзолуны является экзопланетой , она будет продолжать вращаться относительно своей звезды после приливного захвата и, таким образом, будет по-прежнему испытывать цикл день-ночь бесконечно.
Ученые рассматривают приливной нагрев как угрозу для обитаемости экзолун. [32]
Ниже приведен список естественных спутников и сред в Солнечной системе, на которых могут существовать пригодные для жизни среды:
Небольшой список кандидатов в экзолуны был собран различными группами экзоастрономов , но ни один из них не был подтвержден. Учитывая общее отношение масс планет к спутникам в 10 000, большие газовые планеты размером с Сатурн или Юпитер в обитаемой зоне считаются лучшими кандидатами на то, чтобы иметь спутники земного типа, и к 2018 году таких планет будет более 120. [12] Массивные экзопланеты, известные тем, что находятся в обитаемой зоне (например, Gliese 876 b , 55 Cancri f , Upsilon Andromedae d , 47 Ursae Majoris b , HD 28185 b и HD 37124 c ), представляют особый интерес, поскольку они потенциально могут иметь естественные спутники с жидкой водой на поверхности.
Обитаемость внесолнечных лун будет зависеть от звездного и планетарного освещения лун, а также от влияния затмений на их усредненное по орбите поверхностное освещение. [49] Помимо этого, приливный нагрев может играть роль в обитаемости лун. В 2012 году ученые ввели концепцию для определения обитаемых орбит лун; [49] они определяют внутреннюю границу обитаемой луны вокруг определенной планеты и называют ее околопланетным «обитаемым краем». Луны, расположенные ближе к своей планете, чем обитаемый край, являются необитаемыми. Когда влияние затмений, а также ограничения от орбитальной стабильности спутника используются для моделирования предела неуправляемого парникового эффекта гипотетических лун, оценивается, что — в зависимости от эксцентриситета орбиты луны — существует минимальная масса примерно 0,20 солнечных масс для звезд, чтобы содержать обитаемые луны в пределах звездной обитаемой зоны. [17] Магнитная среда экзолун, которая критически обусловлена собственным магнитным полем планеты-хозяина, была определена как еще один фактор обитаемости экзолун. [31] В частности, было обнаружено, что луны на расстоянии от 5 до 20 планетарных радиусов от гигантской планеты могут быть пригодны для жизни с точки зрения освещения и приливного нагрева, [31] но все же планетарная магнитосфера будет критически влиять на их обитаемость. [31]
Естественные спутники, на которых существует жизнь, часто встречаются в (научно-фантастических) произведениях, фильмах, телешоу, видеоиграх и других популярных средствах массовой информации.
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )