Экзопланета Проксима-b - одна из ближайших к солнечной системе экзопланет на орбите красного карлика Проксимы-Центавры, и единственная из планет на орбите последнего, о которой в настоящее время существуют какие-либо достоверные данные. Другие планеты на орбите Проксимы-Центавры будут отдельной темой, а пока что замечу, что эти планеты почти наверняка существуют, но из имеющихся на настоящее время данных и исследований нельзя однозначно сказать ничего об их орбитах, массе и других параметрах.
Проксима-b не является транзитной планетой, иначе говоря, плоскость орбиты этой экзопланеты имеет значительный угол с направлением на солнечную систему. В предшествующие годы делались попытки зафиксировать транзит Проксимы-b, но ни один из предполагаемых транзитов не был подтверждён регулярными наблюдениями. Этот факт сильно ограничивает возможности получения информации о рассматриваемой экзопланете, например, исключает возможность спектрометрии атмосферы на предмет поглощения излучения от Проксимы-Центавры. И даже не позволяет определить наличие атмосферы существующими методами.
Разумеется, единственная остающаяся возможность узнать что-то подробнее о Проксиме-b - прямое наблюдение. По имеющимся данным диаметр этой экзопланеты оценивается ориентировочно в 15 тысяч километров. С расстояния в 1,3 парсека при диаметре орбиты земли в 300 млн км получается соответствие угловой секунды размеру в 390 млн км, значит, угловой размер этой экзопланеты составит около 40 мкс. Разумеется, даже это многократно превосходит прямые возможности любого современного телескопа и доступно лишь интерферометрическими методами, требующими обработки огромного количества данных. Но для получения каких-то подробностей понадобится хотя б в десять раз большее разрешение, и если сравнить со временем обработки недавно полученного снимка чёрной дыры, то становится ясно, что на получение сколько-нибудь чёткого изображения Проксимы-b уйдёт не меньше 10 лет.
Но можно использовать спектрометрию отражённого света Проксимы-Центавры, дополняя исследованием поляризации. В этом случае угловое разрешение менее 10 мс оказывается достаточным для измерения отражённого от Проксимы-b света. Угловое разрешение будущего орбитального телескопа им. Дж. Вебба в 7 мс позволит сделать спектрометрию Проксимы-b и получить некоторые данные об атмосфере этой экзопланеты. Ну а пока запуск этого телескопа лишь планируется, сделаем некоторые предположения.
Светимость Проксимы-Центавры составляет около 1,7% светимости солнца, а радиус орбиты Проксимы-b оценивается примерно в 7,3 млн км. Таким образом инсоляция составит ориентировочно 72% от земной, т. е. примерно 0,98 кВт/м². Равновесная температура планет вычисляется
где I - величина инсоляции, k - коэффициент поглощения, σ - постоянная Стефана-Больцмана. Например, если Проксима-b является планетой-океаном и поглощает 90% излучения, то равновесная температура составит около 250К или около -23°C. При земном коэффициенте поглощения равновесная температура составила б 234К или -39°C.
Но важный вопрос в наличии атмосферы вообще. Для начала исходя из оценки массы Проксимы-b в 1,3 масс земли, т. е. в 7,8 секстиллиона тонн, и оценки радиуса в 7,5 тыс. км примерно оценим вторую космическую скорость
где m и R - упомянутые масса и радиус соответственно, G - гравитационная постоянная, в итоге получается 11,8 км/с. Если вычислять среднюю скорость молекул и вероятность разницы соответственно по формулам
где T - абсолютная температура, М - молярная масса, R - молярная газовая постоянная, то, к примеру, для молекулярного азота с молярной массой 0,028 кг/моль при температуре 250К средняя скорость молекул составит примерно 472 м/с. Но самая интересная с этой точки зрения ситуация - вспышки Проксимы-Центавры, и если в течение некоторого времени инсоляция возрастает примерно до 1 МВт/м², то в этот момент равновесная температура будет около +1 130°C что будет соответствовать средней скорости молекул азота 1,12 км/с, что всё ещё намного меньше второй космической скорости. Вероятность второй космической скорости и более составит около 100 триллионных долей, и если рассматривать при земной плотности воздуха расстояние между молекулами около 4 нм и продолжительность свободного пробега в 3,6 пс, то в течение секунды каждая примерно трёхсотая молекула будет покидать атмосферу. В этом случае 3,5 минут хватило б для потери половины атмосферы.
С одной стороны в этом случае плотность атмосферы оказалась б не больше, чем на Марсе. Но с другой стороны при кратковременном увеличении светимости мгновенного разогрева атмосферы не произойдёт. К примеру, для азота удельная теплоёмкость составляет 1042 Дж/кг°C, а для воды 4200 Дж/кг°C. Таким образом, для нагрева 1 кг воды, к примеру, на 50° понадобится 210 кДж, а для нагрева 1 кг азота на 1000° понадобится более 1/MДж. Даже при протяжённости плотной атмосферы в 5 км для нагрева только атмосферы на 1000° понадобится более 1,5 часов, не считая нагрева поверхности. С учётом энергии перехода воды в газообразное состояние в течение примерно 3 минут при таком увеличении светимости испариться успеет слой воды толщиной в 10 см. В итоге нагрев атмосферы вряд ли превысит дополнительные 200°, и при этом средняя скорость молекул вряд ли превысит 800 м/с, а вероятность второй космической скорости будет иметь более 100 нулей после запятой, что исключает значительную потерю атмосферы термическим путём. Если учесть, что периодичность столь мощных вспышек Проксимы-Центавры продолжительностью в несколько минут составляет около 10 лет, то можно сделать вывод, что термическая потеря атмосферы не будет иметь большого значения и будет вызывать лишь частичное испарение океанов.
Разумеется, разогрев верхних слоёв атмосферы возможен не только под действием электромагнитных излучений, но и воздействием заряженных частиц. Этот процесс оценить сложнее, но возможно как собственное магнитное поле планеты, так и индуцированное, в т. ч. самим магнитным полем Проксимы-Центавры в виду малого расстояния. Но рассмотрим, что повлечёт за собой испарение океанов при кратковременном увеличении светимости. Молекулы водяного пара будут иметь скорость от 720 м/с, и до момента кристаллизации при скорости около 620 м/с смогут подняться на высоту до 12 км в зависимости от ускорения свободного падения. В земных условиях это соответствовало б изменения давления примерно в 4,5 раза. Это соответствует нагреву поверхности океанов примерно почти до +100°. С точки зрения потери атмосферы это большого значения не имело б, кроме того, при достаточном давлении температура кипения воды будет выше. Но конденсация одного кубического метра воды потребовала б охлаждения на один градус 0,2 кубических километров азота, т. е. для испарившегося слоя воды в 10 см энергия будет равна нагреву на 100° слоя атмосферы в 200 тыс. километров. Разумеется, имеет значение и отток тепла непосредственно от водяного пара. Но всё ж сильно воздух остыть не успеет, поэтому, вероятно, средняя температура на поверхности Проксимы-b составляет ориентировочно +90°C, а давление на поверхности с учётом большего размера планеты и испарения воды может отличаться от земного ещё более, чем в 4,5 раза, вероятно, достигая почти 10 атмосфер, возможно, даже больше.
При температуре +90°C многие бактерии вполне могут существовать. Подобные условия могут способствовать появлению большего количества минералов, позволяя биомассе увеличиваться и вырабатывать подходящие механизмы фотосинтеза и хемосинтеза. Эволюция при этом может пойти иным путём, отличающимся от земного. В случае появления многоклеточных форм жизни и дальнейшего развития, гипотетическим животным на рассматриваемой экзопланете, вероятно, придётся приспосабливаться к сложным условиям внешней среды, вероятно, к невиданным для нашей планеты силы ураганам, возникающим при отсутствии смены дня и ночи, особенно ощутимым при высоком атмосферном давлении, так что возможно появление более прочных скелетов. Вряд ли эволюция в таких условиях может продвинуться существенно дальше подобия моллюсков и ракообразных, т. е. даже при благоприятном развитии событий формы жизни на Проксиме-b, скорее всего, навсегда застрянут на уровней палеозойской эры нашей планеты.
Точнее говоря, дальнейшая эволюция может оказаться возможной по мере эволюции Проксимы-Центавры, которая для спектрального класса M длится десятки миллиардов лет. Конечно, на таких масштабах времени может меняться и вселенная, может настать момент большого сжатия, большого разрыва, распада ложного вакуума и т. д.. Также стоит заметить, что Проксима-b, скорее всего, - не единственная планета на орбите Проксимы-Центавры, но достоверно определить орбиты соседних экзопланет по сей день не удалось, поэтому нет возможности точно сказать, находится ли какая-то из этих планет в обитаемой зоне и имеет ли при этом подходящий диапазон массы.
Впрочем, уже через несколько лет, скорее всего, появится фактическая информация о том, что представляет собой Проксима-b.