Мы привыкли искать похожую на Землю планету, чтобы уже на ней попытаться обнаружить жизнь. Однако далекие луны могут быть намного более удобными кандидатами на такое открытие. Единственный газовый гигант, находящийся в зоне обитания своей звезды, может иметь сразу несколько обитаемых спутников. Жизнь могла бы зародиться на них независимо или, скорее, оказаться занесена с одной луны на другие. При этом современные методы поиска экзопланет – по радиальной скорости и проходу, если не брать в расчет более сложные и менее продуктивные – приводят к открытию в первую очередь газовых гигантов за счет их размера и массы соответственно. Большая часть этих гигантов оказывается расположена очень близко к звезде, но есть и в зоне обитания, и их заметно больше, чем твердых планет.

Впрочем, даже если газовый гигант находится в зоне обитания своей звезды, его луны все же могут быть непригодны для жизни из-за жаркого прошлого. Возможность такого неприятного исхода анализируют Рене Геллер, сотрудник Университета МакМастера и Рори Барнс, сотрудник Вашингтонского университета. На раннем этапе жизни далекой солнечной системы мощное излучение звезды может нагревать луну. Что еще опаснее, ее может нагревать тепло, запасенное гигантом при образовании и активно излучаемое им поначалу. В целом же изучение свойств и эволюции лун намного сложнее, чем планет. Ведь они находятся под воздействием двух крупных тел – своего гиганта и звезды. И, конечно, стоит добавить, что в современные телескопы пока с трудом удается различить планеты, не то что луны. «Обитаемость луны, безусловно, ограничивается ее положением в зоне обитания (здесь, видимо, имеется в виду лишь жизнь на поверхности, а не в подледном океане – КЖ) звезды, но она имеет второй источник тепла – газовый гигант, – говорит Геллер. – Нам удалось показать, что на небольшом расстоянии это тепло может сделать луну необитаемой». Напомним, что в Солнечной системе есть потенциально обитаемые тела и вне зоны обитания. Это, например, Европа, чей теплый подледный океан поддерживается приливными силами Юпитера, и Титан, очень холодный, но все же имеющий на поверхности жидкость – углеводородную. Но классический пример покрытого водными океанами мира пока что больше привлекает внимание исследователей. Для такого мира у нас есть хотя бы один пример обитаемости.

Прежде, чем радостно утверждать потенциальную обитаемость крупной луны, находящейся в зоне обитания и не очень близко к гиганту, чтобы  его приливные силы ее не перегревали, необходимо обратиться к прошлому этого спутника. Главный параметр при этом – высота орбиты луны. «Луны размером с Землю, которые мы вскоре сможем различать в телескопы, могла высохнуть вскоре после образования, – говорит Геллер. – Для оценки обитаемости луны необходимо изучить ее историю и историю ее планеты».

Луны обычно образуются также, как и планеты. Последние постепенно вырастают в протопланетном диске, оставленном родившейся недавно звездой. Столкновения все более крупных кусков камня создают планету, чья гравитация со временем оказывается способна образовать вокруг планеты собственный диск. В нем уже могут образоваться луны тем же способом. Другие пути – мощное столкновение, вырывающее из планеты кусок, как в случае Луны, или захват гравитационным полем астероида, как случилось с Фобосом и Деймосом.

В основном механизме образования как луны, так и планеты после рождения оказываются очень горячими, ведь они рождаются в мощных столкновениях. Высокая температура должна испарять большую часть летучих соединений, в том числе – воду. Однако твердые миры могут сохранить часть запасов, а затем и пополнить их за счет падения комет и богатых водой астероидов. Однако хотелось бы найти луну, обитаемость которой не зависит от хорошей кометной бомбардировки, для которой нужны серьезные передвижения в планетарной системе. Крупные спутники могут образоваться на расстоянии 5-30 радиусов своей планеты. Галилеевы луны Юпитера удовлетворяют этой модели (Ио – 6.1, Европа – 9.7, Ганимед – 15.5, Каллисто – 27), крупнейший спутник Сатурна Титан также укладывается в этой картину на расстоянии 21.3 радиуса планеты.

В новой работе Геллер и Барнс продолжают исследования в направлении поиска обитаемой границы, названной ими так по аналогии с зоной обитания. Внутри этой границы луна получает избыток тепла из двух источников планетарного происхождения – от нагрева приливными силами и от дополнительного к звездному теплового излучения. Казалось бы, их эффект невелик по сравнению с излучением звезды (если луна не очень близко к планете). Однако даже небольшое потепление потенциально обитаемого водного мира может вызвать парниковый эффект. Водяной пар очень хорошо задерживает тепло. В нарастающем парниковом эффекте вся вода оказывается испаренной и постепенно разрушается в атмосфере на кислород и водород под действием солнечных лучей. Легкий водород быстро покидает планету, отправляясь в космос, и оставляя ее без воды. Орбиты лун при этом не сохраняются постоянными со временем. Главное влияние на них оказываются приливные силы, из-за которых спутники планет постепенно удаляются от них. Так что луна, находящаяся сейчас на безопасном расстоянии от гиганта, могла долгое время быть слишком близко к нему. За это время она могла лишиться всей воды.

Чтобы сделать предположения о возможном открытии обитаемой луны, необходимо разработать модели, описывающие поведение газового гиганта и его спутника, ведь наблюдать их пока не удается. В первую очередь, в такой модели накладывается ограничение на массу луны, чтобы удерживать плотную атмосферу и иметь железные ядро и мантию, способные создать защитное магнитное поле. Луна поэтому должна быть в худшем случае лишь немного легче Земли. В Солнечной системе таких спутников нет. Самый тяжелый, Ганимед, в сорок раз легче Земли. Однако действительно крупный газовый гигант способен образовать такие же гигантские в своем классе спутники. Примерный предел массы планеты – 14 юпитерианских. После этого предела планета рискует оказаться коричневым карликом. Около этого гиганта, излучающего очень много тепла, были помещены Земля и сверх-Ганимед, в четыре раза более легкий нашей планеты. Наконец, планета с этими спутниками была помещена на две орбиты – земную, находящуюся у горячего конца зоны обитания, и удаленную на 1.7 а.е., то есть у холодного конца зоны. Орбиты спутников имели четыре разных эксцентриситета в моделировании, чтобы учесть различное влияние приливных сил. Наконец, последним фактором в модели был возраст системы. 100, 500 и 1000 миллионов лет отличают газовый гигант по тепловому излучению.

Результатом моделирования явились высоты орбит лун, характеризующих обитаемость луны. Для обоих типов планет высота менее 10 юпитерианских радиусов оказалась непригодной для жизни. В течение 200 миллионов лет парниковый эффект поддерживается только тепловым излучение гиганта. На расстоянии 20 радиусов Юпитера подобная Земле луна освобождается от парникового эффекта, а сверх-Ганимед живет с ним 100 миллионов лет. Это значит, что при открытии потенциально обитаемой луны очень важно учесть не только высоту ее орбиты, но историю ее изменения, чтобы понять, не была ли луна слишком близко к планете на слишком сильно вытянутой орбите, чтобы потерять всю воду. Хотя, конечно, всегда остается возможность получить запасы воды из комет.