Может ли газовый гигант иметь свою обитаемую зону?

Это возможно, но тепло, выделяемое механизмом Кельвина-Гемльгольца, может быть слишком изменчивым, чтобы сложная жизнь могла развиваться исключительно в результате этого источника тепла. В этой статье предполагается, что температура Юпитера, когда он впервые завершил начальную фазу сжатия, была довольно высокой, около 25 000 К. При этой температуре вокруг него будет небольшая обитаемая зона, но затем он начнет остывать, излучая начальное тепло в космос. Он продолжает сокращаться, но более медленными темпами, что приводит к меньшему производству тепла.

Однако вполне возможно, что вы могли бы определить обитаемую зону на основе уровня приливного нагрева, который испытывают луны, а не на основе тепла, излучаемого основной планетой. Отдаваемое тепло можно рассчитать по уравнению$q = 36\rho n^5r^4e^2/38\mu Q$, куда$r$радиус орбиты,$e$эксцентриситет,$n$среднее орбитальное движение,$\rho$плотность,$\mu$модуль сдвига, и$Q$является безразмерной константой.

Это не даст вам обитаемую зону, основанную исключительно на расстоянии от основной планеты, но зону, на которую сильно влияет расстояние. Слишком близко к первичному, и планеты закончат как Ио, слишком далеко, и они замерзнут.

Обратите внимание, что с лунами, нагреваемыми внутри, а не снаружи, вы получите некоторые среды, которые сильно отличаются от земных, но все же пригодны для жизни. Европа, например, может быть обитаема, но жизнь будет существовать в темных океанах под милями льда.

Действительно потрясающий ответ от ckersch. Я хочу добавить немного математики, чтобы понять, насколько велика будет такая обитаемая зона. Формулы взяты отсюда и отсюда , если вы хотите исследовать их дальше, хотя я попытаюсь объяснить их здесь.

Можно предположить, что источником энергии является гравитационная потенциальная энергия, определяемая как

$$U_g = -G \frac{M_p m_s}{r}$$ куда $U_g$потенциальная энергия, $G$гравитационная постоянная, $m_1$- масса объекта один, $m_2$- масса объекта два на заданном расстоянии, и $r$это расстояние. Мы будем рассматривать эти массы как оболочки, идущие наружу от центра.

Тело имеет общий радиус$R$, а плотность$\rho$. Масса, содержащаяся в произвольном радиусе$r_{\text{arbitrary}}$является функцией этого радиуса, обозначаемой как$m(r_{\text{arbitrary}})$. Каждая оболочка имеет площадь поверхности$4 \pi r^2$, что является просто формулой площади поверхности сферы - эти оболочки по сути являются полыми сферами. Чтобы найти полную гравитационную потенциальную энергию, мы должны проинтегрировать по всему радиусу тела:

$$\Sigma U_g=-G\int_0^R \frac{m(r_{\text{arbitrary}})4 \pi r^2 \rho}{r}dr$$ Масса, содержащаяся в радиусе $r_{\text{arbitrary}}$можно привести к произведению плотности на объем ( $m=v \cdot \rho$). Однако объем можно, к счастью, выразить через радиус как $V=\frac{4}{3} \pi r^3$, так что у нас есть $$m=\frac{4}{3} \pi r^3 \rho$$ а потом $$\Sigma U_g=-G\int_0^R \frac{\frac{4}{3} \pi r^3 \rho 4 \pi r^2 \rho}{r}dr$$ Это становится $$\Sigma U_g=-G \left(\frac{16}{3} \pi ^2 \rho ^2 \right)\int_0^R r^4 dr$$ Интегрируя, получаем $$\Sigma U_g= \left(-G\frac{16}{3} \pi ^2 \rho ^2 \right) \left[\frac{r^5}{5} \right]_0^R$$ $$\Sigma U_g= \left(-G\frac{16}{3} \pi ^2 \rho ^2 \right) \left[\frac{R^5}{5} - \frac{0^5}{5} \right]$$ и наконец $$\Sigma U_g=-\frac{16}{15}G \pi ^2 \rho ^2 R^5$$ Вернемся к нашему определению массы как функции объема и плотности и найдем $$\Sigma U_g=-\frac{3M^2G}{5R}$$ Однако половина доступной энергии превращается в кинетическую энергию, поэтому мы делим ее на два, чтобы найти, что $$\Sigma U_g=-\frac{3M^2G}{10R}$$ Если мы сможем найти время $t$над которым излучается энергия, мы имеем нашу силу $P$. Интенсивность на данной площади поверхности равна $$I=\frac{P}{4 \pi r^2}$$ так что у нас есть $$I=\frac{3M^2G}{4 \pi r^2 10R t}$$ Допустим, у вас есть время $t$как долго вы хотите, чтобы тело излучало энергию. Выберите массу $M$и радиус $R$тела, и принять интенсивность $I$от орбиты планеты вокруг звезды в обитаемой зоне звезды - другими словами, возьмите солнечную интенсивность от точки на орбите Земли. Вы можете решить для $r$чтобы выяснить, каково это расстояние: $$r=\sqrt{\frac{3M^2G}{4 \pi I 10R t}}$$ Затем вы можете угадать и проверить, чтобы выяснить внутренние и внешние границы обитаемой зоны. Сейчас у меня нет на это времени, но, возможно, я смогу позже. А пока я предлагаю вам немного поиграть с уравнениями и посмотреть, какую настройку вы можете придумать.

В «Космосе» Карл Саган писал о возможности жизни на Юпитере, представляя ее в виде огромных плавающих организмов, называемых «поплавками», которые питаются более мелким «небесным планктоном», который он называл «грузинами». И, как утверждается в исследовательской работе 2016 года , эта идея не была полностью безумной, хотя существование более мелких организмов представляется гораздо более вероятным.

Саган также писал о том, что даже верхние слои атмосферы Венеры могут быть пригодны для жизни. Над облаками серной кислоты, где температура и давление близки к тем, что на поверхности Земли, люди могли бы жить в летающих городах, таких как Облачный город на Беспине из «Звездных войн».

Просто имейте в виду, что газовые гиганты и коричневые карлики чрезвычайно турбулентны, со сверхзвуковыми ветрами и массивными водоворотами, которые возникают слева и справа на каждой широте, даже на полюсах (см. гигантский шестиугольный шторм Сатурна и недавние фотографии голубых циклонов на полюсах Юпитера). . Я не эксперт, но человеческая колонизация кажется невозможной. Местные формы жизни кажутся возможными, но маловероятными. Впрочем, все зависит от того, насколько сильно вы хотите помахать руками.

Приливные эффекты между газовым гигантом и его спутниками могут нагревать спутники до различной степени. Это, в свою очередь, вызывает вулканы на лунах, если они достаточно сильны. Ио, спутник Юпитера, настолько перегрет и имеет так много вулканов, что был бы непригоден для жизни, даже если бы у него была кислородно-азотная атмосфера.

Таким образом, существует минимальное расстояние, на котором луна должна находиться от своего газового гиганта, чтобы избежать чрезмерного вулканизма. Меньшее количество вулканизма может дать достаточно тепла, чтобы компенсировать недостаточное солнечное излучение на луне размером с Землю. И если луна вращается слишком далеко от своей газовой планеты-гиганта, у нее будет нестабильная орбита.

Земля, подобная луне газового гиганта, вероятно, будет привязана к планете приливами, так что она будет вращаться один раз за каждую орбиту планеты, всегда оставляя одну сторону обращенной к планете. Таким образом, день Луны будет равен ее месячной орбите вокруг Солнца. Чтобы быть пригодной для жизни, Луна должна иметь относительно короткую продолжительность дня, чтобы избежать большой разницы температур между ночью и днем. Чем быстрее вращается Луна, тем более вероятно, что сильное магнитное поле будет отражать излучение заряженных частиц.

Скорость вращения луны, заблокированной приливом, зависит от того, сколько времени требуется для обращения вокруг ее планеты, что зависит от массы планеты и расстояния ее орбиты.

Пригодность для жизни луны газового гиганта размером с Землю будет зависеть в первую очередь от того, насколько далеко планета и луна вращаются по орбите от своей звезды и насколько звезда нагрела луну. Но это также будет зависеть от того, насколько близко Луна вращается вокруг планеты газового гиганта. Орбита слишком близко к планете или слишком далеко от нее сделала бы Луну непригодной для жизни. Таким образом, газовые гиганты имеют обитаемые зоны для своих лун, которые зависят от различных факторов, включая, помимо прочего, количество тепла, которое они излучают.

Вы можете найти интересные статьи, которые я упоминаю в своих ответах о обитаемых спутниках.

Выход на медленную орбиту вокруг большого газового гиганта 1

Заснятые луны, похожие на Землю, вокруг газовых гигантов 2

Вот ссылка на статью о обитаемости экзолуны:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3549631/ 3