Экваториальные срезы магнитного поля (нТ — нанотеслы) для пространства внутри и на Трапписте-1e (слева), а также для вращения Солнца 2016 на том же расстоянии (справа), измеренного с помощью числа вращения Кэррингтона, конкретного 27-дневного периода. период вращения Солнца с минимумом солнечных пятен и солнечной активности, который произошел с 11 ноября по 9 декабря 1996 года. Фото: The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad206a
Астрофизики, изучающие популярную экзопланету в обитаемой зоне ее звезды, обнаружили, что электрические токи в верхних слоях атмосферы планеты могут создать достаточный нагрев, чтобы расширить атмосферу настолько, что она покинет планету, что, вероятно, сделает планету непригодной для жизни.
До сих пор ученые-планетологи считали, что обитаемая планета нуждается в сильном магнитном поле, окружающем ее, которое действует как щит, направляя ионизированные частицы, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение звездного ветра вокруг своей атмосферы и от нее.
Вот что происходит на Земле, не позволяя опасному излучению достичь жизни на поверхности, и чего не происходит на Марсе, где сейчас отсутствует глобальное магнитное поле, а это означает, что любым первоначальным обитателям Красной планеты, вероятно, придется жить в подземных пещерах и полостях. для защиты от солнечного ветра.
Новое исследование, проведенное Офером Коэном из Центра космических наук и технологий Лоуэлла при Массачусетском университете, Лоуэлл и его коллеги, опубликованное в The Astrophysical Journal, изучало, могут ли электрические токи, генерируемые в ионосфере экзопланеты Trappist-1e, привести к достаточному нагреву. и расширение атмосферы, чтобы она могла рассеяться под действием гравитации планеты и исчезнуть в космосе.
TRAPPIST-1e — холодная звезда М-карлика в созвездии Водолея, расположенная примерно в 41 световом году от Земли. Его планетная система, включающая семь наблюдаемых экзопланет, является наиболее тщательно изученной системой за пределами нашей Солнечной системы.
Три из этих планет находятся в обитаемой зоне звезды, а температура поверхности позволяет существовать в жидкой воде. Поскольку М-карлики, составляющие около 70% звезд во Вселенной, холоднее нашего Солнца, эти зоны расположены гораздо ближе к этим звездам.
Траппист-1e, экзопланета, открытая в 2017 году, вращается на расстоянии всего 0,028 а.е. от своей звезды (где 1 а.е. — среднее расстояние от Солнца до Земли; Меркурий вращается на расстоянии около 0,4 а.е.). Скалистый и похожий на Землю, его средняя плотность всего на 2% больше, чем у Земли, а сила тяжести на поверхности составляет 82%. Более того, его равновесная температура составляет 246 Кельвинов, что всего на 9 К ниже земной.
Эти свойства делают Trappist-1e одной из самых интересных из всех экзопланет, открытых на сегодняшний день. Но есть ли у него атмосфера? Поскольку он расположен гораздо ближе к своей звезде, разрушение атмосферы звездными ветрами должно быть намного сильнее, чем, скажем, у Меркурия, у которого нет атмосферы.
Более ранние исследования показали, что звездные ветры с Трапписта-1 потенциально могут лишить экзопланеты богатой водородом атмосферы путем фотоиспарения, но сложность моделирования означает, что эти планеты могут иметь множество атмосферных сред.
Но другой потенциальный механизм разрушения — это когда внешние заряженные звездные ветры воздействуют на ионизированную верхнюю атмосферу. В более ранней работе Коэн и другие обнаружили, что, когда проводимость и импеданс каждой из них одинаковы по величине, три траппистские экзопланеты e, f и g могут подвергаться резистивному нагреву постоянным током (DC) до 1 Вт на квадратный метр, 1 % поступающего солнечного излучения и в 5–15 раз больше звездной энергии от крайнего ультрафиолетового излучения. Такое «Джоулево нагревание» потенциально могло бы лишить атмосферу любую из этих планет. (На Земле джоулево нагрев составляет около 0,01 Вт/м2.)
Теперь Коэн и его коллеги смоделировали второе явление, которое также может повлиять на атмосферы планет Траппист-1: нагрев из-за самого движения планеты. Переменные электрические токи (переменный ток) будут генерироваться в верхних слоях атмосферы планеты, когда она сталкивается с изменяющимся звездным магнитным полем, когда планета вращается вокруг своей звезды (закон индукции Фарадея).
Близкие планеты вращаются очень быстро — орбитальный период Трапписта-1e составляет всего 6,1 земных дня — и быстрое изменение фонового магнитного поля приводит к генерации сильных ионосферных токов, которые рассеиваются и создают потенциально очень сильный нагрев, который они называют напряжением. -управляемый Джоулев нагрев.
Поскольку у астрономов нет измерений звездного ветра и магнитного поля Трапписта-1, группа использовала проверенные физические модели для расчета его выходной энергии, солнечного ветра и изменяющегося магнитного поля на расстоянии Трапписта-1e. Используя разумные оценки ширины ионосферы Трапписта 1e, ее проводимости и величины изменяющегося магнитного поля, их результаты показывают, что поток энергии Джоулевого нагрева в верхней атмосфере планеты будет варьироваться от 0,01 до 100 Вт/м2, что является значительным количество нагрева, которое может быть больше, чем из-за крайнего ультрафиолета и от 1 до 10% потока звездной энергии на планете.
Они приходят к выводу, что такие интенсивные значения могут вызвать сильный выброс атмосферы и «могут привести к быстрой потере атмосферы». Это означает, что астробиологи и другие специалисты должны учитывать джоулево тепло при рассмотрении обитаемости экзопланет.
«Вполне вероятно, что оба механизма работают вместе на близких экзопланетах», — сказал Коэн. «Поэтому наша работа (и наши знания о Солнечной системе) могут предполагать, что экзопланеты, расположенные очень близко к звезде, скорее всего, являются голыми планетами без атмосферы».
Коэн отмечает, что в их работе есть политический элемент, поскольку многие команды исследуют атмосферы планет Траппист-1. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) уже начал наблюдать за планетарными атмосферами этой системы (не обнаружив ни одной), и есть планы сделать больше. «Это может оказаться пустой тратой ресурсов, если нет атмосферы для изучения», — сказал Коэн.
