Как приливные силы влияют на эволюцию орбит планет, особенно в обитаемой зоне? На этот вопрос пытается ответить недавно представленное исследование, в котором международная группа учёных изучила, как приливные силы, гораздо более мощные, чем на Земле, могут влиять на эволюцию орбит планет в обитаемой зоне с сильно вытянутыми орбитами вокруг маломассивных звёзд. Это исследование может помочь учёным лучше понять формирование и эволюцию экзопланет, особенно в контексте поиска жизни за пределами Земли.
Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.
Для исследования учёные использовали серию компьютерных моделей для имитации приливных сил на Земле и трёх экзопланетах: Proxima Centauri b, GJ 3323b и TRAPPIST-1e, которые расположены примерно в 4,24, 17,5 и 40 световых годах от Земли соответственно. Как отмечено, учёные проанализировали данные с планет, вращающихся вокруг маломассивных звёзд, масса каждой из которых по сравнению с нашим Солнцем составляет 0,12, 0,17 и 0,08 соответственно.
Наблюдаемые эксцентриситеты планет составляют примерно 0,35, 0,23 и 0,0051. Для сравнения, наблюдаемый эксцентриситет Земли равен 0,0167. Одним из наиболее важных аспектов этих планет является то, что их большие полуоси (расстояние от звезды) намного меньше, чем у Земли, и составляют 0,0485, 0,0328 и 0,0282 астрономических единиц (а. е.) соответственно. Для сравнения, Земля находится на расстоянии в 1 а. е. от Солнца.
Модели показали, что энергия приливных сил, воздействующих на планеты с вытянутыми орбитами, может привести к изменению их орбит на 1–2 порядка больше, чем на Земле. Помимо изменения эволюции орбит, усиленные приливные силы также могут влиять на географию поверхности планет.
В выводах исследования отмечается: «В таких условиях, вероятно, все континенты выше уровня моря будут легко разрушены океанскими приливами, не останется континентов, и планета станет больше похожа на аквапланету, если на ней всё ещё будут океаны».
Исследование также отмечает, что сильные океанские приливы могут вызывать большие потери приливной энергии и усиливать перемешивание глубоких слоёв океана, океаническую циркуляцию опрокидывания и, следовательно, перенос тепла в океане от экватора к полюсам. Для асинхронно вращающихся планет с небольшими эксцентриситетами океанские приливы будут намного слабее, но всё же их нельзя игнорировать, и они сопоставимы с земными.
Приливные силы изучаются для экзопланет, поскольку это обычное явление в нашей Солнечной системе, особенно между Землёй и Луной. Хотя Земля примерно в 81 раз массивнее Луны, последняя достаточно велика и находится достаточно близко, чтобы оказывать гравитационное воздействие на первую. Это приводит к ежедневному выпучиванию воды на противоположных сторонах Земли, что используется в основном в лодочной и рыболовной промышленности для определения наиболее подходящих времён для запуска и возврата кораблей.
За пределами Земли приливные силы наблюдаются между Юпитером и двумя его галилеевыми спутниками, Ио и Европой. Поскольку гораздо меньшая Ио вращается вокруг гораздо более массивного Юпитера, вытянутая орбита первой приближает её к Юпитеру и удаляет от него, что приводит к усилению и ослаблению гравитационного притяжения Юпитера соответственно. За миллионы лет это постоянное изгибание и сжатие Ио приводит к фрикционному нагреву её недр, в результате чего Ио является самым вулканически активным планетарным телом в Солнечной системе.
Как и у Ио, орбита Европы также вытянута, но на неё также действует гравитационное притяжение Ганимеда, который вращается за пределами Европы. Эти приливные силы приводят к тому, что у Европы есть большой океан с жидкой водой, который стал целью астробиологов. Космический аппарат NASA Europa Clipper в настоящее время находится на пути к Европе, чтобы лучше понять обитаемость спутника.
Как показывает это исследование, явление приливных сил простирается далеко за пределы нашей Солнечной системы, потенциально влияя на формирование и эволюцию планет и на возможную жизнь, которая там может существовать. По мере того как число известных экзопланет в обитаемой зоне продолжает увеличиваться, будут расти и наши знания об их формировании и эволюции, а также о том, есть ли у них ингредиенты для жизни в том виде, в каком мы её знаем.