Это связано с тем, что внутренний нагрев от радиоактивного распада тяжелых элементов тория и урана приводит в движение тектонику плит и может быть необходимо планете для генерации магнитного поля. Магнитное поле Земли защищает планету от солнечных ветров и космических лучей.
Конвекция в расплавленном металлическом ядре Земли создает внутреннее динамо («геодинамо»), которое генерирует магнитное поле планеты. По словам Фрэнсиса Ниммо, профессора Земли и планетных наук Калифорнийского университета в Санта-Крус и первого автора статьи о новых открытиях, опубликованной 10 ноября в Astrophysical Journal Letters, запасы радиоактивных элементов на Земле обеспечивают более чем достаточный внутренний нагрев для создания устойчивого геодинамо.
«Мы поняли, что разные планеты накапливают разное количество этих радиоактивных элементов, которые в конечном итоге приводят в действие геологическую активность и магнитное поле», – пояснил Ниммо. «Итак, мы взяли модель Земли и увеличили и уменьшили количество внутреннего радиогенного производства тепла, чтобы увидеть, что происходит."
Они обнаружили, что если радиогенное нагревание больше, чем у Земли, планета не может постоянно поддерживать динамо-машину, как это сделала Земля.
Это происходит потому, что большая часть тория и урана попадает в мантию, а слишком много тепла в мантии действует как изолятор, не позволяя расплавленному ядру терять тепло достаточно быстро, чтобы генерировать конвективные движения, которые создают магнитное поле.
Из-за большего радиогенного внутреннего нагрева на планете также гораздо больше вулканической активности, которая может вызывать частые массовые вымирания.
С другой стороны, слишком мало радиоактивного тепла приводит к отсутствию вулканизма и геологически «мертвой» планете.
«Просто изменив эту переменную, вы пройдете по этим различным сценариям, от геологически мертвых до земных до чрезвычайно вулканических без динамо-машины», – сказал Ниммо, добавив, что эти результаты требуют более подробных исследований.
«Теперь, когда мы видим важные последствия изменения количества радиогенного нагрева, упрощенную модель, которую мы использовали, следует проверить с помощью более подробных расчетов», – сказал он.
По словам Натали Баталья, профессора астрономии и астрофизики, чья астробиологическая инициатива в Калифорнийском университете в Санта-Крузе стала причиной междисциплинарного сотрудничества, которое привело к созданию этой статьи, планетарная динамо-машина была связана с обитаемостью несколькими способами.
«Долгое время предполагалось, что внутреннее нагревание вызывает тектонику плит, которая создает круговорот углерода и геологическую активность, такую как вулканизм, который создает атмосферу», – пояснил Баталья. "А способность удерживать атмосферу связана с магнитным полем, которое также вызывается внутренним нагревом."
Соавтор Джоэл Примак, заслуженный профессор физики, объяснил, что звездные ветры, представляющие собой быстро движущиеся потоки материала, выбрасываемого из звезд, могут неуклонно разрушать атмосферу планеты, если у нее нет магнитного поля.
«Отсутствие магнитного поля, по-видимому, является одной из причин, наряду с его более низкой гравитацией, почему у Марса очень тонкая атмосфера», – сказал он. "Раньше у него была более плотная атмосфера, и какое-то время у него были поверхностные воды. Без защиты магнитного поля проходит гораздо больше радиации, и поверхность планеты также становится менее пригодной для жизни."
Примак отметил, что тяжелые элементы, имеющие решающее значение для радиогенного нагрева, образуются во время слияния нейтронных звезд, что является чрезвычайно редким явлением.
Создание этих так называемых элементов r-процесса во время слияния нейтронных звезд было предметом исследования соавтора Энрико Рамирес-Руиса, профессора астрономии и астрофизики.
«Мы ожидаем значительной вариабельности в количествах этих элементов, включенных в звезды и планеты, потому что это зависит от того, насколько близко материя, которая их сформировала, была к тому месту, где произошли эти редкие события в галактике», – сказал Примак.
Астрономы могут использовать спектроскопию для измерения содержания различных элементов в звездах, и ожидается, что состав планет будет аналогичен составу звезд, вокруг которых они вращаются.
Редкоземельный элемент европий, который легко наблюдается в звездных спектрах, создается в результате того же процесса, что и два самых долгоживущих радиоактивных элемента, торий и уран, поэтому европий можно использовать в качестве индикатора для изучения изменчивости этих элементов в звезды и планеты нашей галактики.
Астрономы получили измерения европия для многих звезд в наших галактических окрестностях.
Ниммо смог использовать эти измерения, чтобы установить естественный диапазон входных данных для своих моделей радиогенного отопления. Состав солнца находится в середине этого диапазона.
По словам Примака, многие звезды содержат вдвое меньше европия по сравнению с магнием, чем Солнце, а многие звезды содержат до двух раз больше, чем Солнце.
По словам Батальи, важность и изменчивость радиогенного нагрева ставит перед астробиологами много новых вопросов.
"Это сложная история, потому что обе крайности имеют значение для обитаемости. Вам нужно достаточно радиогенного нагрева для поддержания тектоники плит, но не настолько, чтобы вы отключили магнитное динамо », – сказала она. "В конце концов, мы ищем наиболее подходящие места для жизни.
Обилие урана и тория, по-видимому, являются ключевыми факторами, возможно, даже еще одним измерением для определения планеты Златовласки."
По словам Ниммо, используя измерения европия своих звезд для определения планетных систем с различным количеством радиогенных элементов, астрономы могут начать искать различия между планетами в этих системах, особенно после того, как будет развернут космический телескоп Джеймса Уэбба. «Космический телескоп Джеймса Уэбба станет мощным инструментом для описания атмосфер экзопланет», – сказал он.
Помимо Ниммо, Примака и Рамиреса-Руиса, соавторами статьи являются Сандра Фабер, почетный профессор астрономии и астрофизики, и постдокторант Мохаммадтахер Сафарзаде.