Какие условия делают эту обитаемую луну правдоподобной?

В этом ответе я попытаюсь решить две основные проблемы, влияющие на обитаемость вашей луны:

• сохранение атмосферы
• поглощение солнечного излучения

Вам, несомненно, придется настроить параметры вашей планеты, чтобы получить желаемые погодные условия. Однако эти два фактора кажутся наиболее важными в отношении обитаемости.

Прежде чем углубляться в суть, вот список определений переменных, которые я буду использовать:

• $R_m$, радиус Луны
• $M_m$, масса Луны
• $L_{s}$, комбинированная средняя светимость системы из трех солнц
• $D$, расстояние системы планета-луна от системы трех солнц
• $G\approx 6.7\cdot 10^{-11} \space\text{Nm}^2/\text{kg}^2$, гравитационная постоянная
• $k\approx 1.4\cdot 10^{-23}\space \text{J}/\text{K}$, постоянная Больцмана

Хорошо, поехали! (Примечание: я обязательно допустил какую-то вычислительную ошибку где-то ниже. Надеюсь, это не слишком сильно повлияет на мои оценки, и они все еще находятся в пределах правильного порядка величины. Бонусные баллы, если вы найдете ошибку!)

---

Сохранение атмосферы

Независимо от того, насколько массивна или холодна ваша планета, она всегда будет постоянно терять часть своей атмосферы (пока эта атмосфера газообразная). Это связано с тем, что не все молекулы атмосферного газа имеют одинаковую скорость — их скорости случайны в соответствии с распределением Максвелла-Больцмана . В любое время некоторые молекулы будут двигаться достаточно быстро, чтобы убежать. Вопрос в том, как долго вы хотите, чтобы ваша атмосфера длилась?

Скорость убегания для вашей луны примерно равна

$$v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2GM_m}{R_m}}$$ и среднеквадратичной скорости молекул газа в газе с температурой$T$равно $$v_{\text{rms}} = \sqrt{\frac{3kT}{2m}}$$ где$m$- масса рассматриваемой молекулы газа. Вы, конечно, не хотите$v_{\text{rms}}>v_{\text{esc}}$, или вся ваша атмосфера исчезнет в одно мгновение. Так что, как минимум, вам нужно

$$\sqrt{\frac{3kT}{2m}} \lt \sqrt{\frac{2GM_m}{R_m}}$$

или, для молекулы двухатомного кислорода,

$$\frac{M_m}{R_m T} \approx 2.92\cdot 10^{12}\frac{\text{kg}}{\text{m}\cdot\text{K}}$$

Для луны размером с Деймос (которая почти наверняка намного меньше вашей) и со средней температурой поверхности, равной температуре Земли, LHS этого неравенства составляет приблизительно$8.3\cdot 10^{8}$. Это намного ниже этого рудиментарного верхнего предела — пока все хорошо.

Давайте немного попридирчивее. Помните, что я говорил ранее о том, что часть атмосферы вашей планеты всегда будет улетучиваться?

Предполагая, что глубина атмосферы пренебрежимо мала по сравнению с радиусом планеты, мы получаем, что площадь поверхности атмосферы, открытой для космоса, составляет примерно$4\pi R_m^2$. Согласно распределению Максвелла-Больцмана, если$T$- средняя температура, то доля достигших скорости убегания в любой момент времени равна

$$\begin{align}\alpha_{\text{esc}} &= 2\sqrt{2\pi}\int_{\sqrt{GM_m m/kTR_m}}^\infty v^2 e^{-v^2}dv\\ &= \frac{2\xi e^{-\xi^2}+\sqrt{\pi}\text{erfc}(\xi)}{4}\\ &\sim \frac{\xi e^{-\xi^2}}{2} \end{align}$$ при достаточно малых значениях$\xi$, где $$\xi=\sqrt{\frac{GM_m m}{kT}}$$

В качестве оценки возьмем массу и радиус Луны и температуру поверхности Земли (и рассмотрим двухатомные молекулы кислорода). Это дает приблизительные значения

$$\xi\approx 18.5$$ $$\alpha\approx 2.13\cdot 10^{-148}$$ Yowza, это крошечное значение$\alpha$! Объем атмосферы, который улетучится в течение$t$секунд будет примерно равно $$4\pi\alpha R_m^2 v_{\text{esc}} t$$ Но я не собираюсь продолжать расчеты. Значение$\alpha$настолько микроскопически крошечный, что он в основном подавляет другие факторы в приведенном выше выражении. Похоже, атмосфера вашей планеты, вероятно, безопасна!

Если вы действительно хотите убедиться, что ваша атмосфера безопасна, я бы рекомендовал следующие дополнительные меры предосторожности:

• Сделайте свою планету красивой и плотной. Это держит$R_m$низким при повышении стоимости$M_m$, что сделает$\alpha$еще мельче.
• Дайте вашей Луне и планете, вокруг которой она вращается, сильное магнитное поле, чтобы отклонять разрушающие атмосферу космические лучи.

---

Поглощение солнечной радиации

Теперь о легкой части! Это не будет почти вовлечено, как указано выше.

Я утверждаю, что любая данная точка на поверхности вашей луны тратит около$1/4$времени в дневное время и$3/4$времени в темноте при следующих предположениях:

• нет приливной блокировки, как указано в вопросе
• орбита Луны не зависит от положения планеты, вокруг которой она вращается вокруг Солнца.
• газовый гигант массивнее луны
• три звезды в этой тройной звездной системе относительно близки друг к другу и очень далеко от планеты и ее луны.

Почему? Ну, о$1/2$время Луна находится на противоположной стороне планеты, поэтому она не получает света. Когда он находится на освещенной стороне планеты, только$1/2$поверхности Луны освещается в любой момент времени. Таким образом, для любой точки поверхности Луны (за исключением полюсов) она освещена примерно$(1/2)(1/2)=1/4$времени.

Это означает, что для поддержания земного климата и температуры что-то должно компенсировать эту увеличенную продолжительность ночного времени. Вот некоторые предложения:

• Большее количество солнечной радиации. Ведь в системе три звезды .
• Повышенная яркость$L_s$звезд.
• Меньшее расстояние$D$из трех звезд. Однако она не должна быть намного меньше, поскольку интенсивность на расстоянии$D$пропорциональна$1/D^2$.
• Уменьшите альбедо , чтобы избежать отражения солнечной энергии.
• Много парниковых газов, помогающих улавливать энергию солнечного излучения.

---

Вот еще несколько нелогичных предположений о том, какой может быть ваша луна:

• Вы упомянули, что не хотите, чтобы были какие-либо приливные блокировки, но если на поверхности планеты есть значительное количество жидкой воды, гравитационное притяжение газового гиганта будет оказывать на нее значительную силу . По крайней мере, это может вызвать очень экстремальные приливы и отливы (усугубляемые низкой гравитацией планеты), создавая обширные приливные зоны на поверхности планеты.
• Как упоминалось выше, цикл дня и ночи на Луне будет странным, совсем не похожим на обычный цикл полдня-полуночи на Земле. Будет долгая полоса тьмы (когда Луна будет позади планеты), за которой последует серия циклов день-ночь, продолжительность которых зависит от скорости вращения Луны, а затем возврат во тьму. Интересно, как это повлияет на циркадные ритмы животных и фотопериодизм растений на поверхности?
• Поскольку Луна проводит значительное количество времени на темной стороне планеты, замерзание/оттаивание будет обычным явлением. Поскольку температура будет быстро расти и падать, когда Луна входит в тень планеты и выходит из нее, в результате вы можете ожидать какой-то сумасшедшей погоды (вспомните массивные циклоны).

Если вы планируете писать рассказы о планетах или лунах, которые более или менее пригодны для жизни людей и других продвинутых многоклеточных форм жизни с биохимией, похожей на земную, вам нужно найти копию книги Стивена Х. Доула «Обитаемые планеты» . для человека (1964, 2007).

https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/commercial_books/2007/RAND_CB179-1.pdf[1]

Хорошо известно, что некоторые земные формы жизни процветают в среде, в которой люди мгновенно умерли бы, если бы их телепортировали, например, на много миль высоко в воздухе, на мили глубоко в океане или на мили под землей в скалах. И люди также быстро умрут, если телепортируются на большую часть поверхности планеты Земля, например, на поверхность океана, поверхность пустыни, поверхность ледяных щитов и т. д., несмотря на то, что в этих местах процветают некоторые земные формы жизни.

Таким образом, в большинстве научных дискуссий о обитаемости других миров речь идет об их обитаемости для форм жизни, подобных любому типу жизни на Земле в целом, а не для больших животных, дышащих кислородом, таких как люди, в частности. Таким образом, большинство научных дискуссий перечисляют в качестве обитаемых множество возможных миров, которые были бы мгновенно фатальными для телепортированных туда незащищенных людей.

Вот почему книга «Обитаемые планеты для человека» особенно полезна для писателей-фантастов.

Доул описывает ряд типов звезд, подходящих для того, чтобы вокруг них вращались обитаемые планеты. Поскольку для того, чтобы планета стала пригодной для жизни людей, требуются миллиарды лет, звезда должна оставаться на главной последовательности миллиарды лет. К счастью, звезды типа G и типа M будут оставаться на главной последовательности достаточно долго. Существует значительная научная неопределенность в отношении того, могут ли красные карлики класса M иметь обитаемые планеты, поэтому вы, вероятно, захотите, чтобы ваш газовый гигант и обитаемая луна вращались вокруг звезды типа G.

Вот ссылка на статью в Википедии о множественных звездных системах.

https://en.wikipedia.org/wiki/Star_system#:~:text=Multiple%2Dstar%20systems%20are%20, или%20septenary%20with%20seven%20stars.[2]

И обратите особое внимание на иерархическую структуру множественных звездных систем, которые достаточно стары, чтобы иметь обитаемые планеты.

https://en.wikipedia.org/wiki/Звездная_система#Иерархическая_система[3]

Таким образом, ваша тройная звездная система, скорее всего, будет состоять из пары звезд и одиночной звезды, а расстояние между парой звезд и одиночной звездой, вероятно, будет в несколько раз больше, чем расстояние между звездами в паре — возможно, десятки, сотни. , или даже в тысячи раз дальше.

Ваша планета-гигант и пригодная для жизни луна могут вращаться по орбите S-типа вокруг одной из звезд или по круговой или P-орбите вокруг двух звезд. Но из-за иерархической структуры множественных звездных систем кажется маловероятным, что планета, вращающаяся вокруг всех трех звезд, может вращаться достаточно близко к любой из звезд, чтобы иметь пригодные для жизни температуры.

https://en.wikipedia.org/wiki/Habitability_of_binary_star_systems[4]

Были обнаружены примеры экзопланет на орбитах S-типа и других на орбитах P-типа.

Если ваша планета-гигант и пригодная для жизни луна вращаются вокруг одной звезды по орбите S-типа, она, скорее всего, будет звездой класса G, чем звездой класса M, хотя луна, приливно привязанная к своей планете, а не к своей звезде, избежит некоторых из проблемы с обитаемой планетой красного карлика класса М. Вы говорите, что не хотите, чтобы ваша луна приливалась к своей планете, что будет проблемой.

Если ваша гигантская планета и пригодная для жизни луна вращаются вокруг двух звезд по круговой орбите или орбите P-типа, они, скорее всего, будут звездой класса G и одним красным карликом класса M, а не двумя красными карликами класса M.

Из-за иерархической структуры тройной звездной системы только одна или две звезды, вокруг которых вращается планета и обитаемая луна, должны находиться достаточно близко, чтобы на небе Луны были видны диски. Две другие звезды или одна звезда должны появиться как две точки или одна светящаяся точка на лунном небе, хотя, вероятно, очень яркие.

Писатели-фантасты и ученые рассматривали возможность существования жизни на экзолунах размером с планету, вращающихся вокруг гигантских экзопланет.

https://en.wikipedia.org/wiki/Habitability_of_natural_satellites#:~:text=The%20habitability%20of%20natural%20satellites, have%20environments%20hospitable%20to%20life.&text=Tidal%20forces%20are%20likely%20to ,потенциальные%20обитаемость%20%20природные%20спутники.[5]

Хеллер, Рене; Рори Барнс (2012). «Обитаемость экзолуны ограничена освещением и приливным нагревом» Астробиология. 13 (1): 18–46 — важная научная дискуссия о пригодности экзолуны для изучения.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3549631/[6]

Еще одна важная статья:

Хеллер, Рене (сентябрь 2013 г.). «Магнитное экранирование экзолун за пределами околопланетной обитаемой границы». Письма из астрофизического журнала. 776 (2): L33.

https://arxiv.org/abs/1309.0811[7]

Вы также можете проверить мои ответы на такие вопросы, как:

https://worldbuilding.stackexchange.com/questions/175614/температуры-на-земле-с-недельным-длинным-ротационным-периодом/175719#175719[8]

https://worldbuilding.stackexchange.com/questions/174597/есть-есть-правдоподобный-способ-иметь-газовый-гигант-с-двумя-или-более-землей-на-марс-размером/ 174624#174624[9]

https://worldbuilding.stackexchange.com/questions/174401/what-types-of-flora-would-flourish-on-a-tidally-locked-moon/174453#174453[10]

Так как я цитирую некоторые источники, которые я упомянул выше.