Радиоактивные элементы могут быть ключевыми для обитаемости каменистых планет

Количество долгоживущих радиоактивных элементов, включаемых в состав каменистой планеты при её формировании, может быть решающим фактором для её будущей обитаемости. К такому выводу пришла междисциплинарная группа учёных из UC Santa Cruz.

Внутренний нагрев от радиоактивного распада тяжёлых элементов тория и урана движет тектоникой плит и, возможно, необходим для генерации магнитного поля планеты. Магнитное поле Земли защищает её от солнечного ветра и космических лучей.

Конвекция в расплавленном металлическом ядре Земли создаёт внутреннее динамо («геодинамо»), которое генерирует магнитное поле планеты. Запас радиоактивных элементов Земли обеспечивает более чем достаточно внутреннего тепла для поддержания устойчивого геодинамо.

«Мы поняли, что разные планеты аккумулируют разное количество этих радиоактивных элементов, которые в конечном итоге питают геологическую активность и магнитное поле», — объяснил ведущий автор исследования Фрэнсис Ниммо. — «Поэтому мы взяли модель Земли и стали увеличивать и уменьшать количество внутреннего радиогенного тепла, чтобы посмотреть, что произойдёт».

Они обнаружили, что если радиогенный нагрев превышает земной, планета не может постоянно поддерживать динамо, как это делает Земля. Это происходит потому, что большая часть тория и урана оказывается в мантии, и избыточное тепло в мантии действует как изолятор. Это мешает расплавленному ядру терять тепло достаточно быстро для генерации конвективных движений, создающих магнитное поле.

При большем радиогенном нагреве планета также имеет гораздо более высокую вулканическую активность, что может вызывать частые массовые вымирания. С другой стороны, слишком мало радиоактивного тепла приводит к отсутствию вулканизма и геологически «мёртвой» планете.

«Просто изменяя эту одну переменную, вы проходите через разные сценарии: от геологически мёртвой, через землеподобную, до чрезвычайно вулканической, но без динамо», — сказал Ниммо.

Обитаемость

Планетарное динамо связано с обитаемостью несколькими способами.

• Оно движет тектоникой плит, которая создаёт углеродный цикл и геологическую активность, например, вулканизм, производящий атмосферу.
• Способность удерживать атмосферу связана с магнитным полем, которое также питается внутренним нагревом.

Звёздный ветер может постоянно разрушать атмосферу планеты, если у неё нет магнитного поля. «Отсутствие магнитного поля, наряду с более низкой гравитацией, — часть причины, по которой у Марса очень тонкая атмосфера», — отметил соавтор Джоэл Примак.

Тяжёлые элементы, crucial для радиогенного нагрева, создаются во время слияний нейтронных звёзд — чрезвычайно редких событий. «Мы ожидаем значительной изменчивости в количестве этих элементов, включённых в звёзды и планеты, потому что это зависит от того, насколько близко вещество, сформировавшее их, находилось к месту этих редких событий в галактике», — пояснил Примак.

Астрономы могут использовать спектроскопию для измерения содержания различных элементов в звёздах. Состав планет, как ожидается, аналогичен составу звёзд, вокруг которых они вращаются. Редкоземельный элемент европий, легко наблюдаемый в звёздных спектрах, создаётся тем же процессом, что и два самых долгоживущих радиоактивных элемента (торий и уран). Поэтому европий можно использовать как индикатор для изучения изменчивости этих элементов в звёздах и планетах нашей галактики.

Естественный диапазон

Астрономы получили измерения содержания европия для многих звёзд в нашей галактической окрестности. Ниммо смог использовать эти измерения, чтобы установить естественный диапазон входных данных для своих моделей радиогенного нагрева. Состав Солнца находится в середине этого диапазона. У многих звёзд содержание европия по отношению к магнию вдвое меньше, чем у Солнца, а у многих — до двух раз больше.

Важность и изменчивость радиогенного нагрева открывает много новых вопросов для астробиологов. «Нужно достаточно радиогенного тепла, чтобы поддерживать тектонику плит, но не так много, чтобы остановить магнитное динамо», — сказала соавтор Натали Баталья. — «В конечном итоге, мы ищем наиболее вероятные обители жизни. Распространённость урана и тория, по-видимому, является ключевым фактором, возможно, даже ещё одним измерением для определения "зоны Златовласки"».

Используя измерения содержания европия в звёздах для идентификации планетных систем с разным количеством радиоактивных элементов, астрономы могут начать искать различия между планетами в этих системах, особенно после ввода в строй космического телескопа James Webb.