Взрыв открытий экзопланет в последнее десятилетие укрепил наши надежды найти другой мир, такой как Земля, где-то в галактике. Но это также способствовало новому осознанию странных особенностей в звездных системах за пределами нашей собственной, где планеты демонстрируют причудливые выравнивания и эксцентричные конфигурации без каких-либо хороших объяснений. Например, склонность пар экзопланет выталкиваться на орбиты, которые более нерегулярны друг от друга, чем они должны быть, сбивала с толку астрономов в течение почти десятилетия.
Наконец, похоже, что у нас есть некоторые ответы на вопрос, почему это происходит, и что это значит для поиска обитаемых миров. Новые результаты опубликованные в журнале "Натуральная Астрономия" свидетельствуют о том, что эти пары экзопланет часто демонстрируют полюса, которые очень резко наклонены, способствуя «наклону» (отношения между осью планеты и ее орбитой), которая раздвигает планеты. В результате планеты могут испытывать экстремальные сезонные изменения и суровый климат, что влияет на их способность поддерживать среду, пригодную для жизни какого-либо рода.
Из того, что мы в настоящее время знаем об орбитальной механике планет вокруг звезд, мы ожидаем увидеть определенные конфигурации. Планеты и луны часто попадают в так называемые орбитальные резонансы, где они проходят друг мимо друга в тех же точках, что и на своих отдельных орбитах. Конечно, не все планеты и луны ведут себя таким образом, но резонансы случаются чаще, чем нет. Это не просто случайное явление — это физика.
Но с тех пор, как мы начали открывать все больше и больше экзопланет, астрономы заметили, что многие планетарные пары в других звездных системах имеют орбитальные периоды, которые бросают вызов резонансам, падая на орбиты, которые намного дальше друг от друга, чем ожидалось. И ни одна из предполагаемых причин, таких как гравитационное воздействие астероидов или избыток космического газа, никогда не застряла.
Тем не менее, у нас всегда было несколько подсказок для работы. Из предыдущих исследований (включая наблюдения за спутниками Юпитера и печально известным наклоненным Ураном) уже было известно, что орбиты между двумя телами могут быть разделены, если будет рассеиваться достаточно энергии. Если бы планета имела близкую орбиту к своей звезде, то звезда могла бы вызвать более экстремальные приливы на планете, которые затем были бы эффективны при преобразовании орбитальной энергии в тепловую энергию. Рассеивания этой тепловой энергии может быть достаточно, чтобы фактически сместить орбиту планеты.
Но близкая орбита сама по себе не объясняет, что астрономы видели во многих из этих экзопланетных систем. Что-то еще способствовало экстремальному приливному рассеиванию, которое могло изменить целые миры. И, как оказалось, этим фактором вполне могут быть большие осевые наклоны. Молодые планеты со свежими новыми орбитами в концентрированных областях могут быть вынуждены поддерживать высокие наклоны, и, в свою очередь, это приводит к смещению орбит гораздо более радикально, чем прогнозировалось. В парах планет орбиты будут двигаться дальше от резонансных паттернов.
«Наклоны создают сильные приливы, а приливы движутся или «лепят» орбиты», — говорит Сара Миллхолланд, астроном из Йельского университета и ведущий автор нового исследования. «До сих пор типичным предположением было то, что близкие экзопланеты имеют нулевой осевой наклон. Наше исследование говорит об обратном».
Исследование только выдвигает теорию, и не было никаких прямых измерений осевых наклонов экзопланет, чтобы поддержать эту гипотезу. Но это по-прежнему, вероятно, лучшее объяснение того, что было десятилетней загадкой в астрономическом сообществе, и эффекты не имеют ничего, над чем можно было бы посмеяться. Все усилия по исследованию экзопланет продвигаются вперед в надежде найти пригодный для жизни мир, и новые результаты подтверждают важность, которую некоторые астрофизические механики имеют, когда дело доходит до этого поиска. Эти наклоны не только нарушают климат и погодные условия, но и могут привести к избыточному отложению тепла на планете. Это может сделать разницу между потенциально уютными Землями от жгучих и удушающих Венер.
«Практически все планеты, обнаруженные Кеплером, совершенно непригодны для жизни», — говорит астроном Йельского университета Грегори Лафлин, соавтор новой статьи. «Это включает в себя пары планет, которые, по нашему мнению, имеют по крайней мере один член с высокой наклонностью. Однако в будущем мы находим интересным то, что многие потенциально обитаемые планеты, вращающиеся вокруг звезд с низкой массой, могут быть подвержены механизму наклона, который мы исследовали». В частности, это включает в себя пресловутую семипланетную систему ТРАППИСТ-1 в которой три мира находятся в обитаемой зоне, а пять в общей сложности демонстрируют различные потенциалы для обладания жидкими поверхностными водами.
Лафлин подчеркивает, что, хотя ясно, что высокий наклон будет иметь ощутимые последствия для климата планеты, все еще остается предметом споров о том, как большие наклоны повлияют на обитаемость планеты в целом. Наклон Земли на 23,5 градуса, очевидно, не представляет здесь проблемы, но это может быть достаточно резким, чтобы вызвать тревожные эффекты в звездной системе всего в десятках световых лет от нас.
Потребуется много последующей работы, чтобы фактически подтвердить то, что происходит, и она начинается с фактического наблюдения и характеристики наклонов экзопланет. Но без такого исследования наклоны все еще были бы под радаром для большинства астрономов. «Мы использовали теорию, которая была применена к несколько неясным особым случаям в нашей собственной Солнечной системе, и показали, что она может прекрасно работать во внесолнечном контексте», — говорит Лафлин.