Смена сезонов, из-за которой мы сейчас мерзнем, на самом деле чрезвычайно важна для жизни на Земле. Времена года – важнейший механизм поддержания общего температурного режима на планете. Причина этого явления – наклон оси вращения Земли к плоскости эклиптики. Рене Геллер, сотрудник Потсдамского астрофизического института, считает, что астробиологии пока уделяют недостаточно внимания этому важному факту при оценке возможной обитаемости экзопланет.
«Наклон оси вращения и смена сезонов – важный момент в рассмотрении обитаемости экзопланеты, и он пока что почти полностью игнорируется», – говорит Геллер.
Для заполнения этой лакуны Геллер и его коллеги опубликовали две работы, посвященные эволюции оси наклона планеты под действием гравитационного поля звезды и других планет. Их исследование показало, что со временем наклон уменьшается, и особенно быстро это происходит для планет, находящихся в зонах обитания красных карликов, и именно таких потенциально обитаемых планет больше всего. Наклон оси вращения экзопланеты в таких условиях падает настолько быстро, что жизнь просто не успеет зародиться на подобной планете. Под такой сценарий подпадает и Глизе 581d, один из самых известных кандидатов на существование жизни.
Однако есть и хорошая новость. Для планет размером с Землю, обращающихся около солнцеподобных звезд, время падения наклона до опасного значения составляет миллиарды лет. В такой ситуации находится планета Кеплер-22b, первая похожая на Землю экзопланета в зоне обитания.
Наклон земной оси вращения к плоскости эклиптики сейчас составляет около 23.5 градусов, но его эволюция в геологическом масштабе времени пока неизвестна. В целом этот наклон, а также вращение вокруг собственной оси (смена дня и ночи) приводят к тому, что разница между максимумом и минимумом температур на Земле составляет около 111 градусов. Внушительный перепад, но что будет, если убрать наклон оси Земли?

При наклоне оси вращения менее 5 градусов экваториальные регионы будут всегда получать максимум тепла. Одновременно полюса не будут получать почти ничего: солнечные лучи будут просто «соскальзывать» с поверхности Земли, не нагревая ее, тогда как сейчас южный полюс повернут к Солнцу. В результате образуется мощный градиент температуры в зависимости от широты. В таких условиях все зависит от удачи. Планета может потерять всю свою атмосферу из-за ее нагрева над экватором, в результате которого нагретый воздух будет улетать в космос, преодолевая земное притяжение. Если же этого не случится, то в средних широтах могут быть области, пригодные для жизни.
Планета приобретает наклон оси вращения в ходе формирования под действием гравитационных полей других объектов. Точно так же их гравитационное поле может привести к потере наклона. Группа Геллера провела моделирование этого процесса для Глизе 581d. В моделировании учитывались только сама планета и ее звезда. Поскольку гравитационное поле звезды сильнее притягивает ту сторону, которая к ней ближе, возникают деформирующие приливные силы, изменяющие форму планеты. Возникающее при этом трение приводит к демпфированию угловой скорости планеты и, как результат, уменьшению ее наклона. За аналогичные процессы на Земле ответственна Луна.
«Момент, возникающий при действии приливных и гравитационных сил, стремится расположить планету так, чтобы ее ось вращения была перпендикулярна линии, соединяющей центры масс», – поясняет Геллер.
Время, за которое планета теряет наклон, зависит от звезды. Чем слабее светит звезда, тем ближе должна быть к ней планета, чтобы попасть в обитаемую зону. Для многих звезд планеты должны иметь обриты, не превышающие орбиту Меркурия в Солнечной системе. Но чем ближе планета к звезде, тем сильнее на нее действует гравитация и, значит, тем быстрее она теряет наклон оси вращения.
Для планеты, имеющей размеры и массу Земли и находящейся в зоне обитания звезды, имеющей массу в четверть Солнца наклон оси вращения исчезает менее чем за 100 миллионов лет. Оказывается, для сохранения оси вращения в течение длительного времени условия должны именно такие, в которых мы живем. Земля способна сохранить заметный наклон в течение миллиарда лет только если звезда имеет массу не менее 90% солнечных.
«Мы обнаружили, что похожие на Землю планеты в зонах обитания легких звезд теряют наклон в течение времени, заметно меньшего времени эволюции жизни на Земле», – говорит Геллер.
Наклоны осей сверхземель также должны быстро убывать, если они вращаются около красного карлика. Глизе 581d, сверхземля, обращается вокруг красного карлика массой всего в 31% солнечной, а возраст всей системы составляет около 9 миллиардов лет – в два раза больше, чем у Солнечной системы. Так что эта планета должна была потерять наклон давно.
Кроме потери угла наклона оси вращения, приливные силы вызывают постепенную потерю угловой скорости, в результате чего планета оказывается повернутой одной стороной к светилу. Это еще более губительно для жизни.
Для звезд, сравнимых с Солнцем, зона обитания лежит намного дальше. Земля – один из примеров такой ситуации. Но кроме звезды, есть и другие факторы, влияющие на наклон. Наличие луны и других планет приводит к появлению новых гравитационных сил. В Солнечной системе больше всего следует опасаться Юпитера, но нам повезло. От влияния этой огромной планеты Землю спасла Луна, компенсирующая его гравитационное воздействие.
А вот Марсу не повезло. Влияние Юпитера может поворачивать ось вращения этой планеты на 60 градусов за миллион лет. Такие резкие перепады температур и перемещения ледников были бы фатальны для жизни.
Моделирование с учетом других планет и лун группа Геллера еще не провела из-за большой вычислительной сложности работы. Однако их модель позволяет это сделать. Однако, точный расчет может подождать. В любом случае текущий уровень развития телескопов не позволяет наблюдать вращение экзопланет, так что любая теория, касающаяся наклона оси вращения, не может быть проверена.