Переменный ток способен лишать атмосферы планеты в обитаемой зоне

Иногда наличие атмосферы на экзопланетах не дает оснований размышлять о ее пригодности для жизни. Близкое расположение планеты к звезде может стать причиной сильной ионизации верхнего слоя атмосферы (ионосферы). На Земле воздействие Солнца на ионосферу становится причиной лишь геомагнитной активности. Для экзопланеты TRAPPIST-1e, которая находится от нас на расстоянии около 40,7 светового года, близкое соседство со звездой-хозяйкой обходится дороже геомагнитной активности.

TRAPPIST-1 — звезда, вокруг которой вращается семь известных планет. Три из семи (TRAPPIST-1e, f и g) находятся в обитаемой зоне и считаются потенциально обитаемыми. Однако в недавнем исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal, астрофизики поставили под сомнение потенциальную обитаемость экзопланеты TRAPPIST-1е.

Экстремально коротковолновое ультрафиолетовое излучение при достаточной силе «обдирает» атомы верхнего слоя атмосферы и превращает их в ионы. Ионизированный слой газовой оболочки становится проводником, в котором возбуждается ток, а последующее рассеивание ионосферных токов приводит к нагреву верхнего слоя атмосферы и фотоиспарению. В 2018 году исследователи пришли к выводу, что поток энергии, связанный с нагревом верхнего слоя атмосферы токами, превышает поток энергии экстремально ультрафиолетового излучения. Для этого они использовали формализм Кивельсона и Ридли, который позволяет рассчитать нагрев ионосферы исходя из плотности звездного ветра, магнитного поля и ионосферного импеданса (комплексного электрического сопротивления).

Из-за вращения TRAPPIST-1e вокруг звезды по небольшой орбите планета стремительно меняет положение относительно звезды и попадает под разные значения магнитного поля. Быстрое изменение магнитного потока ведет к появлению переменного электрического тока и напряжения, что приводит к омической диссипации. Другими словами, электрическая энергия превращается в тепло из-за сопротивления среды, то есть верхнего слоя атмосферы.

В новом исследовании астрофизики оценили влияние переменного тока и напряжения, появляющегося под действием изменения магнитного потока звезды.

Астрофизики сравнили значение магнитного потока для TRAPPIST-1е и гипотетических планет, находящихся на расстоянии 0,05 и 0,1 астрономической единицы (одна астрономическая единица равна расстоянию от Земли до Солнца) от Солнца. Магнитное поле вокруг TRAPPIST-1e имеет порядок 1000 нанотесла большую часть времени на орбите и падает примерно до 600 нанотесла во время пересечения корональных потоков. В то же время гипотетические планеты, находящиеся в 0,05 и 0,1 астрономической единицы от Солнца, испытывают силу межпланетного магнитного поля 700-900 нанотесла и 50-100 нанотесла соответственно. Эта сила также падает до 100 и 30 нанотесла при пересечении корональных потоков.

Ученые использовали данные магнитного потока, поступающего от звезд, для определения максимального нагрева верхней части атмосферы. Новые данные подтвердили результаты исследований 2018 года. Поток энергии переменного электрического тока TRAPPIST-1е и гипотетических планет Солнечной системы оказался сравним с потоком ультрафиолетового излучения, а также превышал его.

Нагревание атмосферы экзопланеты посредством ультрафиолетового излучения — одна из причин лишения ее атмосферы. Исходя из новой работы, энергия переменного электрического тока в верхних слоях атмосферы может быть даже больше энергии ультрафиолетового излучения. Более того, энергия токов может достигать 1-10 процентов от всей энергии звездного излучения, падающего на TRAPPIST-1e. В теории это достаточно значительная величина, чтобы внести свой вклад в полное лишение планеты сколько-нибудь плотной атмосферы.

Получается, что теперь астрономам нужно из наблюдений выяснить, есть ли у этой планеты хоть какая-то атмосфера. Если наблюдения подтвердят выводы новой работы, обитаемость множества сходных тел во Вселенной окажется под вопросом.