На экзопланетах с вечным днем и ночью может существовать жизнь

Ученые обнаружили, что приливно-заблокированные экзопланеты, которые ранее считались слишком экстремальными для жизни, могут естественным образом перераспределять тепло под своей поверхностью, создавая более пригодные для жизни регионы. Источник: AI/ScienceDaily.com

Экзопланета LHS 3844b, немного больше Земли, вращается вокруг красного карлика LHS 3884 в 48,5 световых годах от Солнечной системы. Она приливно-заблокирована: один оборот вокруг оси занимает ровно столько же времени, сколько и полный оборот вокруг звезды. В результате одно полушарие планеты постоянно обращено к светилу, где царит невыносимая жара, а другое погружено в вечную тьму с температурами, близкими к абсолютному нулю.

На первый взгляд, такая среда кажется совершенно непригодной для жизни. Температура на дневной стороне может достигать 1000–2000 Кельвинов, в то время как на ночной стороне движение частиц практически останавливается. Однако новое исследование предполагает, что эти миры могут быть не столь враждебны для жизни, как считалось ранее.

«Просто взглянув на экстремальные температуры на дневной и ночной сторонах — 1000–2000 Кельвинов на дневной и почти абсолютный ноль на ночной — можно сделать вывод, что эти экзопланеты слишком суровы для жизни. Но, — говорит Дайсуке Ното, постдокторант лаборатории Penn GEFLOW Гуго Уллоа в Пенсильванском университете, — жизнь может найти способ».

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, Ното и его коллеги из Японского агентства морских и наземных наук и технологий и Университета Хоккайдо обнаружили, что «такие экзопланеты могут быть более терпимы к поддержанию жизни, поскольку „приливная блокировка“ может способствовать поддержанию умеренных тепловых условий локально за счет бокового распределения теплового потока».

Почему приливно-заблокированные экзопланеты так распространены

Результаты бросают вызов распространенному предположению о планетах, которые всегда обращены к своей звезде одной стороной. По словам Ното, миры с постоянным днем и ночью на самом деле гораздо более распространены, чем такие планеты, как Земля, где есть регулярная смена дня и ночи.

«Многие небесные тела, такие как луны и планеты, находящиеся очень близко к своим родительским звездам, являются приливно-заблокированными, — объясняет он. — Это означает, что когда они вращаются вокруг своей оси и вокруг своих звезд, эти скорости/частоты совпадают, что приводит к таким явлениям, как то, что мы видим только одну сторону нашей Луны».

Такая постоянная ориентация создает резкий температурный контраст на планете. Вместо того чтобы сосредотачиваться только на поверхностных условиях, исследователи хотели понять, что происходит глубоко внутри планеты, а именно в мантии — толстом каменистом слое между корой и ядром.

Воссоздание инопланетной планеты в лаборатории

Вместо того чтобы полагаться только на компьютерное моделирование, команда построила физическую лабораторную модель, имитирующую недра приливно-заблокированной планеты.

«Построить настоящую экзопланету в лаборатории не входило в бюджет», — шутит Ното.

Вместо этого исследователи использовали прямоугольный резервуар, заполненный вязким глицерином и крошечными термохромными жидкими кристаллами, которые меняют цвет в зависимости от температуры. Подобные экспериментальные системы давно используются для изучения того, как тепло перемещается через медленно движущиеся материалы, что делает их полезными аналогами каменистых недр планет.

В отличие от погодных или океанских течений, на которые сильно влияют вращение Земли и гравитация, конвекция внутри каменистой мантии в основном обусловлена разницей температур и плотности. Чтобы воспроизвести эти условия, команда установила вокруг резервуара четыре термостата для нагрева и охлаждения различных областей, создавая градиенты температур, аналогичные тем, что ожидаются между постоянно освещенной стороной, постоянно темной стороной, поверхностью и глубокими недрами приливно-заблокированной экзопланеты.

Планетарный тепловой двигатель

Эксперименты выявили удивительно стабильную картину. Горячий материал постоянно поднимался под дневной стороной, перемещался через верхнюю область, охлаждался, достигая ночной стороны, затем опускался и возвращался через нижнюю мантию. В результате образовался один непрерывный конвекционный контур, который вел себя как устойчивое планетарное сердцебиение.

«Это не хаотично, как мантия Земли, — говорит Ното. — Это медленно и устойчиво. Предсказуемо. Довольно скучно — но в хорошем смысле».

Исследователи также наблюдали периодические грибовидные шлейфы, поднимающиеся от нагретого основания резервуара. В отличие от вулканических горячих точек на Земле, таких как под Гавайями или Исландией, эти шлейфы оставались фиксированными в одном месте, а не дрейфовали со временем.

Измерения теплопереноса (числа Нуссельта) были сопоставимы с теми, что наблюдаются для земной мантии. Это открытие позволяет предположить, что некоторые приливно-заблокированные экзопланеты могут поддерживать локализованные геотермальные среды, обеспечивающие условия, благоприятные для жизни, особенно в более умеренных средних широтах.

Что это может означать для инопланетной жизни

Устойчивая картина циркуляции может влиять не только на температуру поверхности. Ното считает, что это также может повлиять на движение жидкого ядра планеты, потенциально генерируя магнитные поля, отличные от знакомого дипольного поля Земли.

«Это то, что мы не смогли проверить в этом эксперименте, — говорит он, — но это захватывающее направление для будущей работы».

Взгляд за пределы других миров

Ното и Уллоа продолжают разрабатывать аналогичные лабораторные модели для изучения широкого спектра геофизических процессов. Более ранние исследования лаборатории Penn GEFLOW изучали, как тепло и масса перемещаются в замкнутых пространствах, что дало новое понимание роли жидкостей в гидротермальных системах.

«Мы планируем и дальше расширять экспериментальные методы, чтобы глубже изучить различные системы на нашей планете в разных контекстах. Возможности, буквально, не от мира сего», — говорит Ното.

Дайсуке Ното — постдокторант Школы искусств и наук Пенсильванского университета.

Гуго Уллоа — доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде Пенсильванского университета.

Среди других авторов: Такэхиро Миягоши и Такатоши Янагисава из Японского агентства морских и наземных наук и технологий; Томоми Терада и Юдзи Тасака из Университета Хоккайдо.

Источники:

Материалы предоставлены Пенсильванским университетом.

Daisuke Noto, Takehiro Miyagoshi, Tomomi Terada, Takatoshi Yanagisawa, Yuji Tasaka. Convective dynamics in mantle of tidally-locked exoplanets. Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-62026-z