Радиоактивные элементы, образующиеся при столкновении нейтронных звезд, могут иметь значение между живыми и безжизненными мирами
В поисках инопланетной жизни Земля - как единственная известная обитаемая планета - всегда была отправной точкой. «Мы ищем что-то, что напоминает нам о доме», - говорит Натали Баталья, астроном из Калифорнийского университета в Санта-Круз. Это означает, что скалистая планета находится как раз на нужном расстоянии от своей звезды - звезды, похожей на Солнце, - чтобы впитывать достаточно звездного света, чтобы поверхностная вода существовала в жидкой форме.
Но когда астрономы открыли тысячи и тысячи планет, они столкнулись с удивительным зоопарком разнообразных миров. Таким образом, каменистая планета - похожая на Землю, насколько позволяют судить сегодняшние телескопы, - может оказаться чем-то совершенно отличным от нашего привычного мира. Но насколько разнообразными и неземными могут быть условия на этих каменистых планетах?
«Какие физические процессы делают их более разнообразными?» Баталья говорит. «Это то, что мы пытаемся понять».
Многие из этих физических процессов происходят глубоко внутри планеты. В частности, внутренний запас радиоактивных элементов в мире может оказать огромное влияние на его обитаемость, нагревая его внутреннюю часть. Считается, что надежный источник геофизического тепла имеет решающее значение для тектоники плит и генерации магнитного поля планеты, которое, в свою очередь, кажется критически важным для жизни - по крайней мере на Земле. Благодаря внутреннему теплу, действие тектонических плит, скользящих по поверхности Земли, подобно конвейерной ленте, помогает стабилизировать климат планеты. Перерабатывая углерод в течение геологического времени, тектоника плит регулирует углекислый газ в атмосфере. Магнитное поле нашей планеты, которое помогает защитить от резкого космического излучения, формируется из-за электрических токов, возникающих в вихревых слоях расплавленного железа в ядре Земли.
Новое исследование показало, что обитаемый мир действительно может нуждаться в нужном количестве этих радионуклидов. Слишком много, и планете может не хватить взбалтывающей динамо-машины для создания сильного магнитного поля, но, возможно, она будет иметь плотную негостеприимную атмосферу, выжженную из раскаленного камня. Слишком мало, и холодные недра планеты могут быть настолько холодными и инертными, что вообще не смогут выдерживать большую геологическую активность - что может даже замедлить динамо-машину до остановки.
«Даже если вы найдете планету с той же массой и возрастом, что и Земля, она может радикально отличаться», - говорит Фрэнсис Ниммо, геофизик из Калифорнийского университета в Санта-Круз и ведущий автор исследования, опубликованного на прошлой неделе. в Astrophysical Journal Letters.
На нашей планете тепловая конвекция - это то, что приводит в движение динамо: горячие шары расплавленного железа поднимаются из глубин, чтобы встретиться с более холодной мантией наверху, где они затем охлаждаются и опускаются обратно к ядру. Эта циркуляция передает тепло мантии, которая затем передает его через поверхность под действием тектоники плит. Горячий мантийный материал просачивается через трещины в коре на границах плит и в других тектонически активных регионах. И холодная поверхностная порода проникает в горячую мантию, охлаждая ее, как лед, добавленный к горячему напитку. Не говоря уже о его вышеупомянутой важности для регулирования климата Земли, без тектоники плит, говорит Ниммо, мантия не могла быть эффективно охлаждена, что предотвращало выход тепла из ядра. То есть, если бы на Земле не было тектоники плит, не было бы конвекции и, следовательно, динамо.
Около половины тепла Земли осталось от ее рождения - она образовалась в результате энергетических ударов бесчисленных горных пород, собранных вместе под действием силы тяжести за десятки миллионов лет. Большая часть остального внутреннего тепла нашей планеты теперь происходит за счет радионуклидов тория 232 и урана 238.
Эти радионуклиды, среди прочих, скорее всего, образовались в результате катастрофических столкновений нейтронных звезд - сверхплотных звездных трупов, оставшихся после взрыва массивных звезд. Во время этих событий нейтроны устремляются к тяжелым ядрам, образуя еще более тяжелые ядра, некоторые из которых затем вылетают в более широкий космос. Такие столкновения редки, они происходят в большой галактике, такой как Млечный Путь, примерно раз в 100 000 лет. Каждый раз события производят выбросы радионуклидов.
Чтобы увидеть, как такой широкий диапазон содержания радионуклидов может повлиять на планеты с массой Земли, исследователи использовали компьютерную модель, которая имитирует поток тепла в недрах планеты. Они обнаружили, что увеличение количества тория и урана настолько нагревает мантию, что она действует как изолирующее одеяло, предотвращая выход тепла из жидкого ядра. Если тепло не может уйти, значит, нет конвекции, что означает отсутствие динамо-машины и магнитного поля. Более горячая мантия также порождает больше вулканов, извергающих газ, которые могут создавать очень плотную удушающую атмосферу.
Но если содержание радионуклидов слишком низкое, мантия становится настолько холодной, что становится жесткой. Тектоника плит становится вялой, и в конечном итоге, как предполагают исследователи, она может вообще прекратиться. Без тектоники плит, охлаждающей мантию и отводящей тепло от ядра, динамо-машина снова отключается.
При отсутствии какого-либо другого способа генерировать внутреннее тепло, обитаемой планете может понадобиться нужная порция радионуклидов.
Чтобы найти такую планету, астрономы могут измерить радионуклиды в ее звезде, наблюдая спектр этой звезды - то, как звездный свет разбивается на составляющие его длины волн, кодируя химические отпечатки элементов. Поскольку и звезда, и планета рождены из одного облака газа и пыли, их химический состав должен быть похожим. На практике торий и уран трудно измерить таким способом, поэтому в новом исследовании исследователи предлагают вместо этого искать европий - еще один элемент, образующийся в результате столкновений нейтронных звезд, который имеет более четкую спектроскопическую сигнатуру.
По крайней мере, это идея. Модель проста и, во-первых, с самого начала предполагает, что планета имеет тектонику плит, как и Земля, - говорит Крейг О'Нил, геофизик из Университета Маккуори в Австралии, который не принимал участия в исследовании. - правильное предположение для экзопланет еще предстоит выяснить », - говорит он. «Эти модели будут создавать магнитные поля намного легче, чем модели без тектоники плит».
В самом деле, никто точно не знает каждого ингредиента, необходимого для тектоники плит, говорит Ниммо. Смазывающее действие воды на движение горных пород, например, может быть жизненно важным, хотя все согласны, что рецепт предполагает обильное внутреннее тепло. Так что неясно, как это зависит от радионуклидов. «Мы даже не понимаем, как работает тектоника плит в этой солнечной системе», - говорит он.
Мойзсис говорит, что еще одна большая неизвестность - это формирование планет, сложный процесс, который может привести к изменениям в мировых резервуарах радиогенных элементов и внутреннего тепла. Например, формируются ли планеты преимущественно в результате сильных столкновений камней размером с Луну или в результате других процессов? «В зависимости от того, какую модель вы выберете, вы можете получить разные результаты по композиции», - говорит он. Таким образом, измерение радионуклидов в родительской звезде не обязательно будет отражать то, что находится внутри ее планет.
Но если результаты окажутся правдой, поиск звездного европия может помочь астрономам найти планетные системы, в которых, скорее всего, будут обитаемые миры. «Это было бы чрезвычайно полезно», - говорит Баталья, который не участвовал в исследовании. «Мы пойдем и измерим количество звезд», - добавляет она. «И, возможно, это поможет нам уточнить наш выбор целей для наших первоначальных наблюдений во время будущей космической миссии».