Особый взгляд на парадокс Ферми. Часть 9
Количество обитаемых планет. Продолжение про спектральный класс М и другие
— Часть 1 — Часть 2 — Часть 3 — Часть 4 — Часть 5 — Часть 6 — Часть 7 — Часть 8 —
В предыдущей части была дана предварительная оценка количества обитаемых планет на орбитах звёзд спектральных классов G и K. Разумеется, это самые вероятные варианты обитаемых планет, ибо более массивные звёзды не позволят сохранять обитаемость планет достаточное для эволюции время. При этом выше названному условию условию тем более удовлетворяют звёзды спектрального класса М, но следует учитывать две особенности:
- частые вспышки и корональные выбросы массы;
- приливная блокировка потенциально обитаемых планет.
Для начала рассмотрим вопрос, насколько эти явления характерны для планет на орбитах красных карликов, и начнём с вопроса приливной блокировки, для которого решающее значение имеет градиент гравитации. Не углубляясь в этой части в вопрос, насколько это достоверные данные, отметим, что все красные карлики находятся на ранней стадии эволюции и имеют характерную низкую светимость. В итоге при массе менее 0,6 масс солнца их светимость почти всегда не больше 20% от светимости солнца, что означает расположение обитаемой зоны менее, чем в 65 млн км от звезды. Приливная блокировка возникает при высоком градиенте гравитации, что означает влияние расстояния до звезды и размера планеты. В целом параметры следующие
где ω — исходная угловая скорость вращения планеты, s — расстояние от звезды до планеты, I planet — момент инерции планеты, m star — масса звезды, R planet — радиус планеты. Момент инерции планеты зависит также от распределения плотности, но определённо пропорционален массе и квадрату радиуса.
Для очень примерной оценки можно воспользоваться экстраполяцией информации о Меркурии, имеющего время приливной блокировки примерно в 20 млрд лет. Соответственно для планеты радиусом более 5 тыс. км это время не превысит 2 млрд лет. На расстоянии в 65 млн км оно уже может достичь 10 млрд лет при радиусе в 5 тыс км, но с учётом фактора потери атмосферы этот радиус не может относиться к обитаемой планете на орбите красного карлика. Но уже радиус в 8 км обеспечит приливную блокировку в течение 2 млрд лет при расстоянии в 65 млн км.
Изначальное медленное установление гравитационного равновесия красных карликов вызывает частые вспышки, при которых светимость может возрастать на короткое время на несколько порядков с пиковым нагревом атмосферы до 2000K. При такой температуре скорость молекул азота достигнет 1,3 км/с, кислорода — 1,25 км/с. Сделанные в части 6 подсчёты в этом случае увеличивают наименьшую вторую космическую скорость примерно на 40%, т. е. где-то до 11 км/с, примерно до уровня нашей планеты, а менее массивные планеты на орбитах красных карликов в обитаемой зоны почти гарантировано лишаться атмосферы. Поскольку избыточная плотность атмосферы, скорее всего, вызовет нарастающей парниковый эффект, имеет смысл рассмотреть сделанную ранее наибольшую оценку радиуса обитаемой планеты в 13 тыс. км, а наименьшая получается около 7 тыс. км, если учесть возможности планет по восполнению атмосферы. Даже минимальный оцениваемый радиус почти гарантирует приливную блокировку планеты менее, чем за 4 млрд лет даже при расстоянии в 65 млн км.
Приливная блокировка в сочетании с частыми вспышками почти исключает возможность стабильных условий обитания. В таких условиях до уровня юрского периода эволюция дойти почти не может, условно назовём простыми формами жизни все те, что могут быть на орбитах красного карлика, даже если отдельные признаки могут соответствовать уровню кембрийского периода и далее. При этом лишь на орбитах красных карликов с наиболее стабильной светимостью, доля которых оценивается в 5% возможна обитаемая зона с двукратным изменением инсоляции. В прочих случаях естественное испарение воды в сочетании с дополнительным нагревом от частых вспышек даже при земном уровне инсоляции, скорее всего, вызовет необратимый парниковый эффект. Для оценки наибольшей инсоляции обитаемых планет на орбитах красных карликов будем исходить из уровня инсоляции нашей планеты в период гуронского оледенения, при котором естественное испарение воды оказывалось незначительным, и этот уровень примерно на 20% меньше современного, т. е. чуть менее 1,1 кВт/м². Диапазон обитаемости по расстоянию в этом случае оказывается примерно на 1,25, а при допустимой разнице масс от 1,1 до 12 масс земли получается, что около 6% планет могут иметь простые формы жизни, около 12% микробные. В итоге с учётом красных карликов получает возможность 260 секстиллионов планет с микробными формами жизни, 135 секстиллионов планет с простыми формами жизни, и так же 5 секстиллионов планет со сложными формами жизни, 2 секстиллиона планет с разумными существами.
Если рассмотреть оставшиеся 3% звёзд массой более 1,2 массы солнца, то получается, то самый оптимальный изначальный уровень инсоляции не позволит эволюции продолжаться более 4,8 млрд лет. По ранее предложенному методу расчёта
при T inc = 4,8 млрд лет вероятность эволюции в течении 4 млрд лет не превысит 0,1%, в течение 1,9 млрд лет — 14%, 0,6 млрд лет — 23%. Если учесть, что не все оставшиеся 3% приходятся на эту массу, прибавка к сложным формам жизни составит менее 20 квинтиллионов планет, т. е. в пределах погрешности. Для простых форм жизни прибавка составит около 5 секстиллионов планет, для микробных — около 15 секстиллионов планет. Итого с учётом перечисленных факторов получается: 275 секстиллионов планет с микробной жизнью, 140 секстиллион планет с простыми формами жизни, 5 секстиллионов планет со сложными формами жизни, 2 секстиллионов планет с разумными существами.
Но для более точных выводов необходимо учесть ряд дополнительных факторов. Непосредственно в следующей части будет рассмотрен вопрос возникновения океанов.
