Zgodnie z obietnicą, przedstawiam Wam trochę wniosków i impresji z publikacji “Day ‘N’ Nite: Habitability of Tidally Locked Planets with Sporadic Rotation“. Dla niecierpliwych - jest to swego rodzaju rewolucja w myśleniu o niewielkich planetach w układach czerwonych karłów. Do tej pory dominowało myślenie o nich jako o dokonujących obrotu synchronicznego, co w swojej książce określam mianem “zakleszczenia grawitacyjnego”. Oznacza to, że tak jak Księżyc zawsze jest zwrócony do Ziemi tą samą stroną, tak planety krążące blisko mniejszych i chłodniejszych gwiazd będą zawsze kierować jedną stronę w kierunku gwiazdy. Oznaczałoby to, że jedna strona byłaby “nocną” a druga “dzienną”. Badanie wykazuje, że wielu przypadkach sprawa nie będzie tak prosta. Jednocześnie przemilczano sporo czynników, więc myślę, że to dopiero otwarcie nowego rozdziału w dyskusji na temat jednych z najciekawszych egzoplanet jakie przyjdzie nam badać w kolejnych latach.
][ Niedoskonałości i chaos ][
Dlaczego do tej pory dominowało przekonanie, że planety blisko gwiazd będą zakleszczone? Najprostsza odpowiedź jest taka, że obserwujemy podobny mechanizm w przypadku księżyców w układzie słonecznym. Jeśli działo niebieskie jest odpowiednio blisko swojego “primary” (większego ciała, które okrąża) to różnica grawitacji między stroną “bliższą” i “dalszą” jest na tyle istotna, że większe ciało będzie spowalniać obrót mniejszego. Obliczenia wskazują, że w przypadku wielu egzoplanet, które krążą blisko wokół czerwonych karłów (a tam jest dość ciepło by istniała woda w stanie ciekłym i działy się ciekawe dla nas rzeczy), powinno występować to zjawisko. To natomiast wywoływało wielkie dyskusje na temat tego, czy taka zakleszczona planeta może być dobrym miejscem dla życia.
Skoro tak, co się teraz zmienia? Autorzy badania wzięli pod uwagę serię innych czynników, które bardzo komplikują prosty model dużego i małego ciała. Nawet w przypadku naszego Księżyca sytuacja nie jest tak prosta - wykonuje on ruchy libracyjne, które w uproszczeniu można nazwać “chwianiem się” na swojej orbicie. Wynika to z tego, że orbity nie są idealnymi okręgami tylko elipsami oraz z reguły są choć trochę nachylone w stosunku do orbity głównego ciała. Dzięki temu na przykład z powierzchni Ziemi można zaobserwować w sumie niemal 60% powierzchni Księżyca (zerknijcie na Wikipedię, na hasło “Libracja” i zobaczcie animację naszego satelity). Już samo to wystarcza by stwierdzić, że nawet zakleszczonych planetach prawdopodobnie zawsze gwiazda na niebie będzie wykonywać pozornie mniejszy lub większy ruch okrężny. Do tego jednak dochodzą interakcje z innymi planetami w układach...
Wiemy, że egzoplanet jest dużo a układy planetarne często są liczne. Co więcej w przypadku czerwonych karłów często bywają to ciasno upakowane układy, czego idealnym przykładem jest bardzo sławny układ TRAPPIST-1. W układach takich istnieje tendencja do powstawania rezonansów orbitalnych - to znaczy, że na jakąś liczbę okrążeń jednej planety przypada jakaś wielokrotność okrążeń drugiej. Czasem to proste - w czasie, gdy Europa okrąża Jowisza raz, bliższy gazowemu olbrzymowi Io wykonuje aż dwa okrążenia. Kiedy indziej jest to bardziej złożone i w układzie TRAPPIST-1 kolejne planety łączą takie rezonanse jak osiem do pięciu czy cztery do trzech. To sprawia, że planety dają sobie regularnie grawitacyjnego “prztyczka”, który jak wynika z nowego badania może sporo namieszać.
][ Symulacje i więcej chaosu ][
Autorzy badania zajęli się symulowaniem relacji w komputerowej wersji układu TRAPPIST-1. Jak się okazało ta planetarna karuzela może zachowywać się bardzo, ale to bardzo chaotycznie. Autorzy wyróżniają cztery stany w jakich znajdować być planeta - obrotowy (dobrze znany nam, Ziemianom), zakleszczony (dwa typy) oraz chaotyczny. Stan chaotyczny to taki, gdy na przestrzeni miesięcy planeta oscyluje między dwoma stanami, czyli czasem się obraca a czasem jest zwrócona jedną stroną w kierunku gwiazdy. Wyróżnili też cztery okresy w jakich mogą występować te stany - krótki (poniżej 100 lat), średni (100-500 lat), długi (500-900 lat) oraz quasi-stabilny (od 900 do milionów lat).
Co to oznacza? Że na przykład w jednej z symulacji planeta TRAPPIST-1d po setkach tysięcy lat niezmiennej orientacji względem czerwonego karła (jeśli pominąć librację) nagle zaczyna powolny ruch obrotowy (bardzo wolny, np raz na kilka ziemskich lat). Stan ten trwa przez kilkaset lat, po czym rotacja znów zaprzestaje.
Z grubsza rzecz ujmując wygląda na to, że wszystko jest możliwe. Autorzy skupiają się szczególnie na kilku z kilkuset symulacji, co mnie nie zachwyciło. W pracy dostępny jest histogram dla wszystkich symulacji, gdzie wygląda na to, że chaos z czasem ustępuje różnym rozkładom zakleszczenia i ruchów obrotowych ale widać tam też podejrzane piki. Symulacje, którym poświęcili więcej uwagi, pokazują bardzo różne możliwości - zarówno przypadek gdzie w zasadzie co sto lat lub częściej planeta zmienia swój stan i czasem jest on chaotyczny, czasem obrotowy, czasem zakleszczony. Inna symulacja pokazała planetę, która 75% czasu spędza długich okresach gdzie trwa jeden stan, w 82% przypadków będący zakleszczeniem.
][ Wnioski i ograniczenia badania ][
Co to wszystko oznacza? Ciężko powiedzieć coś więcej poza tym, że egzoplanety wokół małych, długowiecznych gwiazd prawdopodobnie nie cieszą się tak stabilnymi warunkami (złymi lub dobrymi) jak mogło się wydawać. Więc dywagacje na temat życia na nich stały się jeszcze bardziej skomplikowane.
Z pewnością wydaje się, że kilkuletni cykl dnia i nocy wydaje się koszmarem dla biosfery opartej o fotosyntezę. Choć bieguny takich planet mogą odczuć te problemy w mniejszym stopniu. Autorzy jednak sami kapitulują, twierdząc, że dynamiczne zmiany klimatu w czasie zmian między stanami byłyby trudne do symulowania. Zakładają też, że nawet jeśli na nocnej stronie był lód i zostaje ona skierowana do słońca, nie dochodzi do zmian w czapach lodowych…
… Co mocno mnie zszokowało, bo pisząc tekst “Kataklizm jakiego Ziemia nie widziała” skupiłem się przede wszystkim na potencjalnym wpływie zmiany rozkładu masy na takiej planecie. Atmosfera i masy wody mogą mieć ogromny wpływ na zachowanie tych planet i zaniedbanie tego przez autorów jest tyleż uzasadnione co kluczowe. Czy wiecie, że na szczycie wysokiej na 300 metrów Sydney Tower znajduje się zbiornik z 150 tonami wody, która zmniejsza oscylacje wieży?
Jak to zwykle bywa - czekamy na kolejne badania, a najlepiej na obserwacje realnych egzoplanet, które mogą powiedzieć więcej o tym jak jest naprawdę. Tymczasem bardzo bym chciał, żeby ktoś teraz przyjrzał się Io, Europie i Ganimedesowi aby stwierdzić, czy widać ślady, że i one kiedyś przechodziły okresy chaosu czy obrotów. Wymieniliśmy maile z Jasonem Steffenem, jednym z autorów badania, który potwierdził, że to ciekawy kierunek, ale są małe szanse by w układzie Jowisza znaleźć ślady okresów rotacji księżyców. Więcej nadziei pokłada w symulacjach uwzględniających masy atmosfer i oceanów egzoplanet.
Źródła:
Day ‘N’ Nite: Habitability of Tidally Locked Planets with Sporadic Rotation
Kataklizm jakiego Ziemia nie widziała
Moja książka - Niebo pełne planet (dodruk papierowej wersji już niedługo)
][ Niedoskonałości i chaos ][
Dlaczego do tej pory dominowało przekonanie, że planety blisko gwiazd będą zakleszczone? Najprostsza odpowiedź jest taka, że obserwujemy podobny mechanizm w przypadku księżyców w układzie słonecznym. Jeśli działo niebieskie jest odpowiednio blisko swojego “primary” (większego ciała, które okrąża) to różnica grawitacji między stroną “bliższą” i “dalszą” jest na tyle istotna, że większe ciało będzie spowalniać obrót mniejszego. Obliczenia wskazują, że w przypadku wielu egzoplanet, które krążą blisko wokół czerwonych karłów (a tam jest dość ciepło by istniała woda w stanie ciekłym i działy się ciekawe dla nas rzeczy), powinno występować to zjawisko. To natomiast wywoływało wielkie dyskusje na temat tego, czy taka zakleszczona planeta może być dobrym miejscem dla życia.
Skoro tak, co się teraz zmienia? Autorzy badania wzięli pod uwagę serię innych czynników, które bardzo komplikują prosty model dużego i małego ciała. Nawet w przypadku naszego Księżyca sytuacja nie jest tak prosta - wykonuje on ruchy libracyjne, które w uproszczeniu można nazwać “chwianiem się” na swojej orbicie. Wynika to z tego, że orbity nie są idealnymi okręgami tylko elipsami oraz z reguły są choć trochę nachylone w stosunku do orbity głównego ciała. Dzięki temu na przykład z powierzchni Ziemi można zaobserwować w sumie niemal 60% powierzchni Księżyca (zerknijcie na Wikipedię, na hasło “Libracja” i zobaczcie animację naszego satelity). Już samo to wystarcza by stwierdzić, że nawet zakleszczonych planetach prawdopodobnie zawsze gwiazda na niebie będzie wykonywać pozornie mniejszy lub większy ruch okrężny. Do tego jednak dochodzą interakcje z innymi planetami w układach...
Wiemy, że egzoplanet jest dużo a układy planetarne często są liczne. Co więcej w przypadku czerwonych karłów często bywają to ciasno upakowane układy, czego idealnym przykładem jest bardzo sławny układ TRAPPIST-1. W układach takich istnieje tendencja do powstawania rezonansów orbitalnych - to znaczy, że na jakąś liczbę okrążeń jednej planety przypada jakaś wielokrotność okrążeń drugiej. Czasem to proste - w czasie, gdy Europa okrąża Jowisza raz, bliższy gazowemu olbrzymowi Io wykonuje aż dwa okrążenia. Kiedy indziej jest to bardziej złożone i w układzie TRAPPIST-1 kolejne planety łączą takie rezonanse jak osiem do pięciu czy cztery do trzech. To sprawia, że planety dają sobie regularnie grawitacyjnego “prztyczka”, który jak wynika z nowego badania może sporo namieszać.
][ Symulacje i więcej chaosu ][
Autorzy badania zajęli się symulowaniem relacji w komputerowej wersji układu TRAPPIST-1. Jak się okazało ta planetarna karuzela może zachowywać się bardzo, ale to bardzo chaotycznie. Autorzy wyróżniają cztery stany w jakich znajdować być planeta - obrotowy (dobrze znany nam, Ziemianom), zakleszczony (dwa typy) oraz chaotyczny. Stan chaotyczny to taki, gdy na przestrzeni miesięcy planeta oscyluje między dwoma stanami, czyli czasem się obraca a czasem jest zwrócona jedną stroną w kierunku gwiazdy. Wyróżnili też cztery okresy w jakich mogą występować te stany - krótki (poniżej 100 lat), średni (100-500 lat), długi (500-900 lat) oraz quasi-stabilny (od 900 do milionów lat).
Co to oznacza? Że na przykład w jednej z symulacji planeta TRAPPIST-1d po setkach tysięcy lat niezmiennej orientacji względem czerwonego karła (jeśli pominąć librację) nagle zaczyna powolny ruch obrotowy (bardzo wolny, np raz na kilka ziemskich lat). Stan ten trwa przez kilkaset lat, po czym rotacja znów zaprzestaje.
Z grubsza rzecz ujmując wygląda na to, że wszystko jest możliwe. Autorzy skupiają się szczególnie na kilku z kilkuset symulacji, co mnie nie zachwyciło. W pracy dostępny jest histogram dla wszystkich symulacji, gdzie wygląda na to, że chaos z czasem ustępuje różnym rozkładom zakleszczenia i ruchów obrotowych ale widać tam też podejrzane piki. Symulacje, którym poświęcili więcej uwagi, pokazują bardzo różne możliwości - zarówno przypadek gdzie w zasadzie co sto lat lub częściej planeta zmienia swój stan i czasem jest on chaotyczny, czasem obrotowy, czasem zakleszczony. Inna symulacja pokazała planetę, która 75% czasu spędza długich okresach gdzie trwa jeden stan, w 82% przypadków będący zakleszczeniem.
][ Wnioski i ograniczenia badania ][
Co to wszystko oznacza? Ciężko powiedzieć coś więcej poza tym, że egzoplanety wokół małych, długowiecznych gwiazd prawdopodobnie nie cieszą się tak stabilnymi warunkami (złymi lub dobrymi) jak mogło się wydawać. Więc dywagacje na temat życia na nich stały się jeszcze bardziej skomplikowane.
Z pewnością wydaje się, że kilkuletni cykl dnia i nocy wydaje się koszmarem dla biosfery opartej o fotosyntezę. Choć bieguny takich planet mogą odczuć te problemy w mniejszym stopniu. Autorzy jednak sami kapitulują, twierdząc, że dynamiczne zmiany klimatu w czasie zmian między stanami byłyby trudne do symulowania. Zakładają też, że nawet jeśli na nocnej stronie był lód i zostaje ona skierowana do słońca, nie dochodzi do zmian w czapach lodowych…
… Co mocno mnie zszokowało, bo pisząc tekst “Kataklizm jakiego Ziemia nie widziała” skupiłem się przede wszystkim na potencjalnym wpływie zmiany rozkładu masy na takiej planecie. Atmosfera i masy wody mogą mieć ogromny wpływ na zachowanie tych planet i zaniedbanie tego przez autorów jest tyleż uzasadnione co kluczowe. Czy wiecie, że na szczycie wysokiej na 300 metrów Sydney Tower znajduje się zbiornik z 150 tonami wody, która zmniejsza oscylacje wieży?
Jak to zwykle bywa - czekamy na kolejne badania, a najlepiej na obserwacje realnych egzoplanet, które mogą powiedzieć więcej o tym jak jest naprawdę. Tymczasem bardzo bym chciał, żeby ktoś teraz przyjrzał się Io, Europie i Ganimedesowi aby stwierdzić, czy widać ślady, że i one kiedyś przechodziły okresy chaosu czy obrotów. Wymieniliśmy maile z Jasonem Steffenem, jednym z autorów badania, który potwierdził, że to ciekawy kierunek, ale są małe szanse by w układzie Jowisza znaleźć ślady okresów rotacji księżyców. Więcej nadziei pokłada w symulacjach uwzględniających masy atmosfer i oceanów egzoplanet.
Źródła:
Day ‘N’ Nite: Habitability of Tidally Locked Planets with Sporadic Rotation
Kataklizm jakiego Ziemia nie widziała
Moja książka - Niebo pełne planet (dodruk papierowej wersji już niedługo)
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz