Во время научной революции в астрономии произошли фундаментальные изменения. Это началось с эрудита Коперника в 16 веке и его теории о том, что Земля вращается вокруг Солнца. В 17 веке знаменитый инженер и астроном Галилео Галилей усовершенствовал гелиоцентрическую модель Коперника на основе наблюдений, сделанных им с помощью самодельных телескопов. Однако только после того, как Кеплер обнаружил, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам (а не по круговым), астрономические модели полностью согласовались с наблюдениями за небом.
Как оказалось, именно эта особенность орбитальной механики может иметь решающее значение для возникновения жизни на таких планетах, как Земля. Такая гипотеза была выдвинута в недавнем исследовании группы астрономов под руководством Университета Лидса. Согласно их работе, эксцентриситет орбиты (насколько Орбита планеты отклоняется от круга) может повлиять на климатическую реакцию планеты, что, в свою очередь, может оказать глубокое влияние на ее потенциальную обитаемость. Эти результаты могут быть важны для исследователей экзопланет, поскольку они продолжают искать похожие на Землю планеты, на которых может быть жизнь.
Команду возглавил Бинхан Лю, аспирант Школы физики и астрономии Университета Лидса, который проводил исследование в рамках своей докторской диссертации. К нему присоединились Дэниел Р. Марш, заведующий кафедрой сравнительной планетарной атмосферы Пристли (и научный руководитель Лю), а также другие коллеги из Лидса и Института астрономии Кембриджского университета. Их статья «Эксцентрические орбиты могут улучшить обитаемость земных экзопланет» была недавно опубликована в журнале The Astronomy. Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества.
Идея круговых орбит имеет глубокие корни в западной астрономии, восходящие к классической античности. Некоторые примеры включают Платона и Аристотеля, которые утверждали, что известные в то время небесные тела (Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн) представляли собой идеальные сферы, вращающиеся вокруг Земли по концентрическим кругам. Эта вера сохранялась и во время Научной революции: и Коперник, и Галилей утверждали, что известные в то время планеты (Меркурий, Венера, Земля и Луна, Марс, Юпитер и Сатурн) вращались вокруг Солнца по концентрическим кругам.
Только когда Иоганн Кеплер представил концепцию эллиптических орбит, ученые смогли согласовать свои астрономические модели с наблюдаемыми движениями планет. С тех пор ученые многое узнали о параметрах орбиты – таких как большая полуось (А), эксцентриситет (т), наклон оси (?), наклон (я) и периапсис – и как они могут влиять на климат планеты с течением времени. Эти параметры также стали очень важными для изучения экзопланет, поскольку они имеют решающее значение для определения того, может ли планета быть «потенциально обитаемой».
Для своего исследования Лю и его коллеги использовали Климатическую модель сообщества всей атмосферы (WACCM6), интерактивную модель системы Земли с высокими вершинами, которая может имитировать условия на Земле (от океанов до верхних слоев атмосферы), чтобы моделировать экзопланеты, подобные Земле, с помощью два разных параметра симуляции орбиты. В одном наборе они демонстрировали круговые орбиты (т = 0), а остальным были назначены сильно эксцентричные орбиты (т = 0,4) – намного больше эксцентриситета Земли (0,016). Им также был присвоен нулевой наклон (? = 0) и фиксированное значение годовой инсоляции (также называемой средней годовой инсоляцией).
После 30-летнего моделирования для каждого случая они изучили, как обе группы экзопланет ведут себя с точки зрения реакции климата. К ним относятся широтные и сезонные изменения в их водном цикле (морской лед, снег на суше и облака), а также показатели обитаемости суши, такие как температура поверхности и осадки. Как они заявили в своей статье, экзопланеты в группе сильно эксцентричных орбит имели на 25% больше обитаемой площади суши на более чем 80% своей орбиты, со средним увеличением на 7% за весь их орбитальный цикл.
Конечно, были некоторые оговорки и дополнения, которые абсолютно необходимо было включить:
«Важно отметить, что обитаемость земли зависит от выбранного показателя и продолжительности времени, в течение которого соблюдаются условия для конкретного показателя. Мы пришли к выводу, что при том же среднем годовом потоке звезд планета земного типа с нулевым наклоном на сильно эксцентричной орбите вокруг звезды, подобной Солнцу, может демонстрировать более высокую обитаемость на суше, чем ее круглый аналог».
Другими словами, моделирование основано на планетах с гораздо более эксцентричными орбитами, чем у Земли, и не подвержено тем же изменениям наклона, которые также сильно влияют на климат Земли (т.е. ледниковые и межледниковые периоды). Тем не менее, их исследование показывает, что планеты с эксцентричными орбитами с большей вероятностью будут пригодны для жизни, чем планеты с круговыми орбитами, которые испытывают небольшие сезонные колебания в течение года. Эти результаты могут иметь важное значение для исследования экзопланет и поиска обитаемых миров за пределами Солнечной системы.
Кроме того, они отмечают, что в ближайшем будущем астрономы выиграют от обсерваторий следующего поколения, способных обнаружить похожие на Землю экзопланеты с эксцентричными орбитами:
«Обнаружение сильно эксцентричных экзопланет земной группы невелико из-за ограничений современных методов наблюдения, которые сосредоточены на близлежащих и, следовательно, приливно-зависимых экзопланетах на круговых орбитах. Однако с предстоящими миссиями наземных и космических телескопов, такими как PLATO, ELT и HWO, можно будет обнаружить и охарактеризовать дополнительные весьма эксцентричные, похожие на Землю, скалистые экзопланеты. Понимание потенциального воздействия на климат и обитаемости весьма эксцентричных скалистых экзопланет остается сложной задачей».
Дополнительная литература: MNRAS
