В новом исследовании, проведенном астрофизиками из Технологического института Джорджии, была смоделирована эволюция осевых наклонов аналогов, подобных Земле, в разных звездных системах, включая двойные звезды. Наклон оси Земли меняется незначительно, что является важным компонентом стабильности климата, способствующим эволюции сложной жизни. Из всех их имитированных земных аналогов с осевыми наклонами, аналогичными земным, астрофизики обнаружили, что 87% из них находятся в двойных звездных системах.
“Часто встречаются системы с несколькими звездами, и около 50% звезд имеют двойные звезды-компаньоны. Таким образом, это исследование может быть применено к большому числу солнечных систем”, — поясняет Гунцзе Ли, соавтор исследования в Школе физики технологического университета Джорджии.
Исследователи смоделировали Землю в обитаемых зонах в Альфе Центавра AB – ближайшем соседе нашей солнечной системы, двойной системе с одной звездой, называемой “А”, а другой “Б.” После этого они расширили модель до более универсальной области. “Мы смоделировали, как это будет выглядеть вокруг других двойных звезд с различными вариациями масс звезд, характеристик орбит и так далее”, — сказал Билли Куорлс, главный исследователь исследования и научный сотрудник лаборатории Ли. “Общее послание было позитивным, но не для нашего ближайшего соседа”.
Альфа Центавра А на самом деле выглядела неплохо, но перспективы умеренной динамики оси на экзоземле, смоделированной вокруг звезды В, были плачевными. Это может подорвать некоторые надежды, потому что Альфа Центавра AB находится в четырех световых годах отсюда, и миссия под названием Starshot с известными спонсорами планирует запустить космический зонд для поиска признаков продвинутой жизни там.
Никаких экзопланет не было подтверждено вокруг A или B; экзопланета была подтверждена вокруг близлежащей звезды красного карлика Проксимы Центавра, но она, скорее всего, будет непригодной для жизни.
Даже несмотря на ледниковые периоды и жаркие фазы, климатические условия Земли оставались спокойными в течение сотен миллионов лет – отчасти из-за ее умеренной динамики орбиты и наклона оси, что позволило эволюции сделать большие шаги. Дико изменяющаяся динамика и, следовательно, климат, как на Марсе, будут регулярно уничтожать развитую жизнь, задерживая эволюцию.
Орбита Земли вокруг Солнца имеет небольшой наклон, который плавно и очень медленно проходит через небольшую прецессию, своего рода колебание. Когда Земля вращается, она меняет положение относительно солнца, немного вращаясь вокруг него, как на рисунке спирографа. Орбита также прецессирует по форме между чуть большей и чуть менее продолговатой в течение 100 000-летних периодов.
Наклон земной оси в течение 41 000 лет составляет от 22,1 до 24,5 градусов. Наша большая луна стабилизирует наш наклон благодаря своей гравитационной связи с Землей, в противном случае упругие гравитационные связи с Меркурием, Венерой, Марсом и Юпитером будут сотрясать наш наклон резонансами.
“Если бы у нас не было Луны, наклон Земли мог бы измениться примерно на 60 градусов», — сказал Куорлс. “Мы, возможно, выглядели бы как Марс, и прецессия его оси, по-видимому, помогла истощить его атмосферу».
Ось Марса прецессирует от 10 до 60 градусов каждые 2 миллиона лет. При наклоне в 10 градусов атмосфера конденсируется на полюсах, создавая шапки, которые удерживают большую часть атмосферы во льду. При 60 градусах Марс может образовать ледяной пояс вокруг своего экватора.
Надежда в Космическом масштабе
В Альфе Центавра AB звезда B размером примерно с наше Солнце и более крупная звезда A вращаются друг вокруг друга примерно на расстоянии между Ураном и нашим солнцем, что очень близко для двух звезд в двойной системе. В исследовании моделировались вариации экзоземли, вращающейся вокруг любой звезды, но сосредоточенной на моделируемой орбите Земли в обитаемой зоне с центром вокруг B, где A является орбитальной звездой.
Орбита А очень эллиптическая, проходит рядом, а затем очень далеко удаляется от В и создает мощную гравитацию, которая в модели подавляет собственную динамику экзоземли. Его наклон и орбита сильно варьировались; добавление нашей Луны в модель не помогло. “Вокруг Альфы Центавра В, если у вас нет Луны, у вас более стабильная ось, чем если бы у вас была луна. Если у вас есть луна, это довольно плохие новости”, — сказал Куорлз.
Даже без Луны и с умеренной изменчивостью оси сложная, похожая на Землю эволюция, по-видимому, будет иметь трудные времена на моделируемой экзоземле вокруг B. “Самый большой эффект, который вы увидите, — это различия в климатических циклах, связанные с тем, насколько вытянута орбита. Вместо того, чтобы иметь ледниковые периоды каждые 100 000 лет, как на Земле, они могут наступать каждые 1 миллион лет, быть хуже и длиться гораздо дольше”, — сказал Куорлз.
Но в модели появилась надежда на условия, подобные земным: “Орбита и вращение планет должны иметь правильную прецессию относительно двойной орбиты. Есть одно маленькое милое местечко, — сказал Куорлз.
Когда исследователи расширили модель до бинарных систем во Вселенной, вероятность незначительных изменений наклона резко возросла. “В целом, расстояние между звездами в двойных системах больше, и тогда вторая звезда оказывает меньшее влияние на модель Земли. Собственная динамика движения планеты доминирует над другими влияниями, и наклон обычно имеет меньшие вариации”, — сказал Ли. “Итак, это довольно оптимистично”.
В электронном письме в Daily GalaxyЛи написал: “Звездные двойные спутники влияют на орбиты планет, похожих на Землю, что приводит к резонансам вращения орбиты и изменениям наклона. Мы обнаружили, что планета, подобная Земле, будет испытывать более низкие (по сравнению с Землей) колебания наклона примерно для ~70% двойных звезд солнечного типа. Это может означать более серьезные колебания климата из-за колебаний наклона для некоторых инопланетных миров, но ограничения на развитие развитой цивилизации сложны и выходят за рамки нашего исследования”.
С 2019 года Куорлс, Ли и Лиссауэр продолжили свои исследования прецессии и динамических эффектов на земноподобные аналоги в двойных системах, подобных Альфе Центавра. В электронном письме в Daily GalaxyКуорлс написал: “Мы обратились к простым климатическим моделям, использующим энергетический баланс, который является предметом нашей последней работы. Препринт доступен, но в настоящее время рукопись находится на рассмотрении в MNRAS, и некоторые детали могут измениться после того, как она будет принята к публикации.”
Влияние различий в распространенности
Когда его спросили о том, как изменения наклона, такие как нынешняя эпоха голоцена на Земле, могут повлиять на развитие развитых цивилизаций, Куорлс ответил по электронной почте в Daily Galaxy: “Вопросы, касающиеся голоцена или развития развитой цивилизации, делают ряд предположений о долговечности цивилизации, несмотря на влияние окружающей среды. В течение 70-х и 80-х годов казалось неясным, уничтожит ли человечество себя, и эта цивилизация может быть очень преходящей. Игнорируя этот вопрос, наша новая работа показывает, что очень длинные переходы от низкой к высокой наклонение может привести к ком земли (полный льда), где более мягкие варианты (но все-таки большие по сравнению с Землей) может привести к колеблющихся штатов для распределения льда на поверхности (полярных шапок или ледовый пояс).”
Исследователи опубликовали свое исследование, соавтором которого был Джек Лиссауэр из Исследовательского центра Эймса НАСА, в журнале Astrophysical Journal 19 ноября 2019 года под названием “Наклонная эволюция околозвездных планет в солнцеподобных двойных звездах”. Исследование финансировалось Программой экзобиологии НАСА.
