Есть миры, где никогда не было утра — но океаны там тёплые 4 миллиарда лет. Секрет в водороде

После изгнания из родной звездной системы планета обычно кажется безнадежно холодным и темным миром. Но у спутников таких странников может оказаться совсем другая судьба. Новое исследование показывает: если у луны, вращающейся вокруг свободно летящей экзопланеты, есть плотная атмосфера с преобладанием водорода, внутреннее тепло может задерживаться достаточно долго, чтобы на поверхности сохранялась жидкая вода. В отдельных случаях такие условия способны продержаться до 4,3 млрд лет.

Речь идет о так называемых свободно плавающих, или блуждающих, экзопланетах. Астрономы уже нашли сотни подобных объектов в межзвездном пространстве. Считается, что большинство когда-то сформировалось в обычных планетных системах, а затем было выброшено оттуда из-за гравитационных возмущений и столкновений орбит. После такого изгнания планета теряет главный источник внешнего тепла - свет своей звезды. Поэтому на первый взгляд подобные миры должны быстро превратиться в ледяные глыбы.

Авторы новой работы предлагают смотреть не только на сами планеты, но и на их луны. Во время выброса из системы орбита спутника может сильно вытянуться. В таком случае гравитация планеты начинает то сильнее растягивать, то сжимать его недра. Похожий механизм астрономы хорошо знают по Европе и Энцеладу в Солнечной системе. Там приливные силы разогревают внутренние слои и поддерживают геологическую активность. Для экзолуны у блуждающей планеты такой разогрев может стать главным источником энергии на очень долгий срок.

Проблема в другом: одного внутреннего тепла мало, его еще нужно удержать. Если атмосфера неустойчива и газы в ней легко конденсируются в жидкость, значительная часть энергии просто уходит в космос. Новая модель показывает, что особенно важную роль здесь может играть водород. В обычной земной атмосфере молекулярный водород почти не работает как парниковый газ. Но при высоком давлении картина меняется.

Авторы обращают внимание на механизм collision-induced absorption, по-русски обычно говорят о поглощении излучения при столкновениях. Суть процесса такая: во время кратких столкновений молекулы водорода образуют временные комплексы. Эти непрочные объединения удерживаются не обычной химической связью, а более слабыми межмолекулярными взаимодействиями. Зато в таком состоянии они намного лучше поглощают инфракрасное излучение, чем отдельные молекулы. По эффективности такой механизм может соперничать с куда более привычными парниковыми газами, например с углекислым газом и метаном.

Именно здесь водородная атмосфера начинает играть неожиданно важную роль. Она не просто окружает спутник, а помогает удерживать тепло, которое поднимается изнутри благодаря приливному разогреву. При этом плотный фон из водорода делает возможным и вклад других веществ - метана, аммиака и водяного пара. Если такие компоненты присутствуют, они дополнительно усиливают удержание тепла.

Исследователи построили модель, которая одновременно учитывает температуру атмосферы, изменение химического состава и эволюцию орбиты спутника после выброса планеты из системы. Отдельно в расчеты включили данные о том, как со временем орбита постепенно становится более круговой. Такой процесс ослабляет приливный разогрев: чем меньше вытянутость, тем слабее деформации недр. Поэтому для оценки пригодности к жизни мало знать только состав атмосферы - нужно еще понимать, как долго спутник способен сохранять источник внутреннего тепла.

Расчеты показали, что самые благоприятные условия возникают у лун с очень плотной водородной атмосферой, где давление у поверхности может достигать 100 земных атмосфер. В таком случае поглощение излучения при столкновениях оказывается достаточно сильным, чтобы поверхность оставалась теплой и устойчивой для существования жидкой воды. В отдельных сценариях такие условия держатся до 4,3 млрд лет после того, как планета-хозяин покинула свою систему. Для сравнения: возраст Земли сегодня оценивается примерно в 4,5 млрд лет.

Вывод выглядит особенно любопытно потому, что раньше пригодность к жизни почти автоматически связывали с близостью к звезде. Здесь картина совсем другая. Луна может находиться в полной темноте, вдали от любого светила, но при этом сохранять условия, при которых вода не замерзает. Такой сценарий заметно расширяет набор мест, где теоретически может возникнуть жизнь.

Правда, проверить подобные идеи наблюдениями будет очень трудно. Даже если астрономы в ближайшие годы смогут обнаружить такие спутники, подтвердить состав их атмосферы и подробно изучить ее свойства вряд ли получится быстро. Поэтому сейчас главный инструмент для работы с подобными мирами - моделирование.

У исследования есть и еще один неожиданный поворот. Авторы считают, что такие расчеты могут помочь не только в изучении далеких экзолун, но и в понимании ранней Земли. До появления жизни атмосфера нашей планеты, по некоторым гипотезам, могла содержать гораздо больше водорода, чем сейчас. Частые падения астероидов могли периодически повышать давление. В такой обстановке поглощение излучения при столкновениях тоже могло усиливаться, а вместе с ним - и устойчивость теплых условий, благоприятных для химических процессов, связанных с происхождением жизни.

Исследователи отдельно упоминают возможную связь с формированием и копированием молекул РНК. Если подобные условия действительно существовали на ранней Земле, водород мог сыграть более важную роль в запуске эволюции, чем считалось раньше. Так что работа одновременно соединяет астрофизику, климатическое моделирование и вопрос о том, как вообще могла начаться жизнь.