Парадокс Ферми и химсостав планет
Вышло исследование, предсказывающее возможные типы планет в обитаемой зоне как функцию из зимического состава. http://lenta.ru/rubrics/science/cosmos/ и http://arxiv.org/pdf/1509.02429v1.pdf. Текст в Ленте фокусируется на обитаемости: сверхземли у звезд солнечной и более высокой металличности встречаются на горячих орбитах, а в обитаемой зоне эти планеты распространены у звезд пониженной металличности. Из этого можно было бы сделать вывод в поддержку гипотезы Редкой Земли, как объяснения парадокса Ферми. Если для возникновения жизни нужен химический состав, как у Земли, обитаемых планет должно быть мало, ведь планеты с нужным химическим составом образуются ближе к звезде, а в обитаемой зоне больше планет, в составе которых намного больше легких элементов, и которые, таким образом, являются необитаемыми океанами II типа, с массивной прослойкой льдов высокого давления между океаном и ядром, предотвращающей попадание питательных веществ в воду, либо мини-нептунами.
Мы еще очень плохо можем определять химический состав планет, особенно - земель и нептунов. Самое большое, что мы можем сделать - это определить массу и радиус, по плотности и уравнению состояния вещества сделать предположение о доле скал, льдов и легких газов в составе планеты, и предложить дополнительные ограничения, исходя из химического состава звезды и предположения, что пропорции тяжелых элементов повторяют таковые у звезды. Но одно мы можем сказать почти наверняка - процессу планетообразования присуща очень большая вариативность. Особенно хорошо это видно на примере сверхземель, когда планеты с радиусом 1,4 - 1,8 радиусов Земли могут иметь самую разную плотность. В одной и той же системе могут встретиться классическая супер-земля и классический мини-нептун на близких орбитах - они имеют почти одинаковую массу, но плотность различается в разы. На процесс планетообразования влияет не только металличность, но и такие свойства, как масса протопланетного диска и его поверхностная плотность, и процессы миграции в диске, которые тоже вносят значительное разнообразие. Поэтому даже если основным продуктом легкого планетообразования у FGK-звезд действительно являются необитаемые океаниды, мини-нептуны и горячие земли, разброс гарантирует, что аналоги Земли, имеющих континенты из скалистых пород, океаны из слегка соленой воды, и атмосферы подходящей плотности, в Галактике найдутся в немалом количестве. К тому же я не верю в аргументы о критической необходимости магнитного поля и крупного спутника для стабилизации условий: сверхземля с массой в 3 земных и полностью устойчива устойчива к потере атмосферы, а атмосфера в 15 бар азота сделает ее полностью устойчивой к колебаниям климата из-за изменения наклона оси. В то же время, существенное уменьшение доли скалистых планет начинается только с радиусов 1,4 - 1.5 р.Земли (масс в 4-5 земных), следовательно, такие планеты существуют. Поэтому сам по себе аргумент Редкой Земли не способен объяснить молчание космоса. В Галактике 100 миллиардов звезд, и примерно столько же планет массой с Землю. Даже если вероятность образования у звезды аналога Земли с достаточной степенью обитаемости равна 1e-4, произведение остальных вероятностей - зарождения жизни, развития разума, выхода разума в космос/на контакт, и вероятности, что мы распознаем их, должно быть меньше 1e-7.
Исходная же статья фокусируется на наблюдательной планетной статистике.
Рис. - диаграмма расположения планет по массе (слева) и радиусу (справа) в зависимости от расстояния от звезды. Синим отмечена обитаемая зона, синие крестики - планеты у звезд с металличностью [Fe/H] > -0.1 dex, красные кружки - у звезд с [Fe/H] > -0,1 dex. Сверху - все планеты (в т.ч. в многопланетных системах), снизу - положение крайней внешней сверхземли. (картинка взята из блога za_neptunie, а там - из статьи в Архиве)
На диаграмме действительно видно, что распределение сверхземель по орбитальным радиусам у металличных звезд сдвинуто в сторону горячих орбит и имеет более резкий край справа, чем таковое у звезд пониженной металличности. В самом деле, если проводить границу по -0,1 dex (80% солнечной металличности, цифра - десятичный логарифм отношения содержания железа в звезде к солнечному) мы пока не видим ни одной планеты в ОЗ у металличных солнцеподобных звезд. Однако 80% - это почти солнечная металличность. Звезды галактического гало имеют в десятки и сотни раз меньше металлов, чем Солнце, а сообщения о нахождении у них сверхземель уже попадались (вспомним звезду Каптейна). Кроме того, легкие земли, которых пока известно слишком мало для статистики, не так подвержены процессу миграции в плотном диске, как сверхземли - возможно, по -0,1 dex как раз проходит граница "включения" механизма миграции сверхземель вовнутрь, а распределение легких земель по ширине орбит этим не затронуто. Кроме того, с переходом к оранжевым и красным карликам и уменьшением обитаемая зона сдвигается внутрь быстрее, чем граница встречаемости сверхземель - светимость L пропорциональна M^3,9, радиус обитаемой зоны a ~ M^1,95, и у звезд более поздних улассов сверхземли могут попадать в обитаемую зону. Наконец, отсутствие крестиков в синей области означает только, что их там достаточно мало, чтобы не увидеть на выборке такого размера. И уж точно нельзя говорить, что для обитаемости нужна металличность > -0,1 dex или солнцеподобность звезды. Мы знаем немало примеров суперземель в обитаемой зоне, мой (пока, за неимением лучшего) любимый пример - Gliese 667 Cc. Обнаружение двойника земли по массе, радиусу, ширине орбиты и параметрам центральной звезды - лишь дело времени...
В общем, экзопланетная статистика явно еще очень далека от полноты. Построение полной диаграммы встречаемости по всем координатам - массе, радиусу, ширине орбиты, спектральному классу звезды и ее металличности даст возможность серьезно улучшить модели планетообразования, но пока работы учитывают только какой-нибудь из сильно упрощенных срезов этой диаграммы. Построение и исследование картины в целом - большая работа предстоящих нескольких лет. Но и сейчас можно с высокой уверенностью сказать, что космос таит в себе великое разнообразие - там есть и земли, и обитаемые планеты, от Земли существенно отличающиеся. И это только статистика по основным параметрам. Мы еще не можем рассмотреть, но скоро начнем исследовать целые огромные области в этой картине - легкие планеты (спектрограф ESPRESSO и ему подобные), далекие планеты (астрометрия GAIA). Не за горами и массовое исследование спектров экзопланет - начало уверенного движения в сторону более детальной их характеризации (James Webb), а множество интересных и уникальных случаев по определению в статистике не видны, но несомненно существуют.
Мы еще очень плохо можем определять химический состав планет, особенно - земель и нептунов. Самое большое, что мы можем сделать - это определить массу и радиус, по плотности и уравнению состояния вещества сделать предположение о доле скал, льдов и легких газов в составе планеты, и предложить дополнительные ограничения, исходя из химического состава звезды и предположения, что пропорции тяжелых элементов повторяют таковые у звезды. Но одно мы можем сказать почти наверняка - процессу планетообразования присуща очень большая вариативность. Особенно хорошо это видно на примере сверхземель, когда планеты с радиусом 1,4 - 1,8 радиусов Земли могут иметь самую разную плотность. В одной и той же системе могут встретиться классическая супер-земля и классический мини-нептун на близких орбитах - они имеют почти одинаковую массу, но плотность различается в разы. На процесс планетообразования влияет не только металличность, но и такие свойства, как масса протопланетного диска и его поверхностная плотность, и процессы миграции в диске, которые тоже вносят значительное разнообразие. Поэтому даже если основным продуктом легкого планетообразования у FGK-звезд действительно являются необитаемые океаниды, мини-нептуны и горячие земли, разброс гарантирует, что аналоги Земли, имеющих континенты из скалистых пород, океаны из слегка соленой воды, и атмосферы подходящей плотности, в Галактике найдутся в немалом количестве. К тому же я не верю в аргументы о критической необходимости магнитного поля и крупного спутника для стабилизации условий: сверхземля с массой в 3 земных и полностью устойчива устойчива к потере атмосферы, а атмосфера в 15 бар азота сделает ее полностью устойчивой к колебаниям климата из-за изменения наклона оси. В то же время, существенное уменьшение доли скалистых планет начинается только с радиусов 1,4 - 1.5 р.Земли (масс в 4-5 земных), следовательно, такие планеты существуют. Поэтому сам по себе аргумент Редкой Земли не способен объяснить молчание космоса. В Галактике 100 миллиардов звезд, и примерно столько же планет массой с Землю. Даже если вероятность образования у звезды аналога Земли с достаточной степенью обитаемости равна 1e-4, произведение остальных вероятностей - зарождения жизни, развития разума, выхода разума в космос/на контакт, и вероятности, что мы распознаем их, должно быть меньше 1e-7.
Исходная же статья фокусируется на наблюдательной планетной статистике.
Рис. - диаграмма расположения планет по массе (слева) и радиусу (справа) в зависимости от расстояния от звезды. Синим отмечена обитаемая зона, синие крестики - планеты у звезд с металличностью [Fe/H] > -0.1 dex, красные кружки - у звезд с [Fe/H] > -0,1 dex. Сверху - все планеты (в т.ч. в многопланетных системах), снизу - положение крайней внешней сверхземли. (картинка взята из блога za_neptunie, а там - из статьи в Архиве)
На диаграмме действительно видно, что распределение сверхземель по орбитальным радиусам у металличных звезд сдвинуто в сторону горячих орбит и имеет более резкий край справа, чем таковое у звезд пониженной металличности. В самом деле, если проводить границу по -0,1 dex (80% солнечной металличности, цифра - десятичный логарифм отношения содержания железа в звезде к солнечному) мы пока не видим ни одной планеты в ОЗ у металличных солнцеподобных звезд. Однако 80% - это почти солнечная металличность. Звезды галактического гало имеют в десятки и сотни раз меньше металлов, чем Солнце, а сообщения о нахождении у них сверхземель уже попадались (вспомним звезду Каптейна). Кроме того, легкие земли, которых пока известно слишком мало для статистики, не так подвержены процессу миграции в плотном диске, как сверхземли - возможно, по -0,1 dex как раз проходит граница "включения" механизма миграции сверхземель вовнутрь, а распределение легких земель по ширине орбит этим не затронуто. Кроме того, с переходом к оранжевым и красным карликам и уменьшением обитаемая зона сдвигается внутрь быстрее, чем граница встречаемости сверхземель - светимость L пропорциональна M^3,9, радиус обитаемой зоны a ~ M^1,95, и у звезд более поздних улассов сверхземли могут попадать в обитаемую зону. Наконец, отсутствие крестиков в синей области означает только, что их там достаточно мало, чтобы не увидеть на выборке такого размера. И уж точно нельзя говорить, что для обитаемости нужна металличность > -0,1 dex или солнцеподобность звезды. Мы знаем немало примеров суперземель в обитаемой зоне, мой (пока, за неимением лучшего) любимый пример - Gliese 667 Cc. Обнаружение двойника земли по массе, радиусу, ширине орбиты и параметрам центральной звезды - лишь дело времени...
В общем, экзопланетная статистика явно еще очень далека от полноты. Построение полной диаграммы встречаемости по всем координатам - массе, радиусу, ширине орбиты, спектральному классу звезды и ее металличности даст возможность серьезно улучшить модели планетообразования, но пока работы учитывают только какой-нибудь из сильно упрощенных срезов этой диаграммы. Построение и исследование картины в целом - большая работа предстоящих нескольких лет. Но и сейчас можно с высокой уверенностью сказать, что космос таит в себе великое разнообразие - там есть и земли, и обитаемые планеты, от Земли существенно отличающиеся. И это только статистика по основным параметрам. Мы еще не можем рассмотреть, но скоро начнем исследовать целые огромные области в этой картине - легкие планеты (спектрограф ESPRESSO и ему подобные), далекие планеты (астрометрия GAIA). Не за горами и массовое исследование спектров экзопланет - начало уверенного движения в сторону более детальной их характеризации (James Webb), а множество интересных и уникальных случаев по определению в статистике не видны, но несомненно существуют.