Французские учёные смоделировали климатические условия на «суперземле» (экзопланете, масса которой составляет от 2 до 10 земных) Gliese 581 d и обнаружили, что на её поверхности вполне может существовать вода в жидком состоянии.

Красный карлик Gliese 581, вокруг которого обращаются планеты относительно малой массы, становится всё более популярным объектом исследований. Самым интересным элементом его планетной системы называют «суперземлю» Gliese 581 g, обнаруженную осенью прошлого года. Она движется по орбите, незначительно отличающейся от круговой, с большой полуосью в 0,146 а. е. и совершает один оборот за 36,6 дня. Такое расположение можно считать очень удачным, поскольку Gliese 581 g попадает в обитаемую зону своей звезды.

К сожалению, открытие Gliese 581 g остаётся неподтверждённым. Часть специалистов предполагает, что сигнал, соответствующий этой экзопланете, был артефактом обработки данных.

Крупная (её минимальная масса оценивается в 5,6–7,1 земной) «суперземля» Gliese 581 d находится на большем расстоянии от красного карлика, перемещаясь по орбите с большой полуосью в 0,22 а. е. Кроме того, её орбитальное движение, вероятно, синхронизировано с вращением вокруг оси, а это может означать, что на одной стороне планеты устанавливается вечная ночь. По этим причинам вероятность существования воды в жидком состоянии на Gliese 581 d считалась крайне низкой; тем не менее учёные уже пытались моделировать её климат, показав, что плотная атмосфера должна давать заметный парниковый эффект.

Авторы новой работы выполнили детальный расчёт параметров атмосферы Gliese 581 d, использовав модель, которая представляла газовую оболочку в трёх измерениях. За основной компонент атмосферы был принят углекислый газ. Чтобы оценить влияние воды на климат, французы разобрали два совершенно разных случая: в первом «каменистая» планета была полностью лишена воды, а во втором варианте её поверхность, напротив, рассматривалась как бесконечный источник H₂O.

При моделировании величину атмосферного давления устанавливали равной 5, 10, 20 или 30 бар (1 бар = 0,987 физической атмосферы). Соотношение длительности дня и года также могло изменяться, принимая значения 1:1 (здесь один оборот вокруг Gliese 581 по времени соответствует одному обороту планеты вокруг оси, что и приводит к появлению «ночной» и «дневной» сторон), 1:2 (два оборота вокруг оси за год) и 1:10.

Расчётная температура (обозначена цветом в градусах Кельвина) на поверхности «каменистой» Gliese 581 d с СО2-атмосферой давлением в 20 бар. В верхней части показаны результаты для резонанса вида 1:1, в средней — 1:2, в нижней — 1:10. (Иллюстрация из Astrophysical Journal Letters.)

Как выяснилось, на «каменистой» планете при давлениях ниже 10 бар атмосфера нестабильна, и газы начинают конденсироваться на «ночной» стороне Gliese 581 d и/или её полюсах. В случае более плотных атмосфер, однако, горизонтальный перенос тепла и парниковое нагревание приобретают нужную эффективность, обеспечивая стабильность газовой оболочки и позволяя температуре на поверхности подниматься выше 0 ˚C.

Если же поверхность Gliese 581 d покрывалась H₂O, водяной пар, который появлялся в атмосфере, способствовал нагреванию, а формировавшиеся облака, наоборот, несколько остужали планету, повышая её альбедо (характеристику отражающей способности). При давлении в 10 бар и ниже преобладал эффект охлаждения, а с увеличением давления до 20 бар средняя температура на поверхности превысила результат, полученный для «каменистой» планеты. Дать надёжную оценку параметров атмосферы в промежутке, разделяющем эти значения, авторы не смогли.

Учёные также рассмотрели возможность образования локальных обитаемых участков на покрытой льдом Gliese 581 d с выделенными «дневной» и «ночной» сторонами. Оказалось, что «дневная» сторона становится тёплой только в условиях разреженной атмосферы, не обеспечивающей эффективный перенос тепла; при этом температура в «ночной» части опускается до уровня, на котором существовать не может даже азотная атмосфера. Ледяная планета с разреженной и подпитываемой путём сублимации H₂O-атмосферой может поддерживать температуру на «дневной» стороне, превышающую 0 ˚C, но низкое атмосферное давление препятствовало бы появлению жидкой воды, которая, возможно, сохранялась бы только в небольших подповерностных областях. Очевидно, упомянутые выше варианты плотных стабильных атмосфер дают больше шансов на то, что Gliese 581 d подходит для развития жизни.

Стоит заметить, что Gliese 581 d расположена рядом с Землёй, на расстоянии около 20 световых лет от неё. Если характеристики телескопов будут стабильно улучшаться, астрономы вскоре получат возможность сравнить предсказания теоретиков с результатами спектроскопических наблюдений.

Полная версия отчёта будет опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Национального центра научных исследований Франции.