Скільки завгодно маленька планета не втримає атмосферу вічно — рано чи пізно сонячний вітер і теплове випромінювання здують легкі гази в космос. Але де саме проходить межа, після якої планета перетворюється на голий камінь без повітря? Команда дослідників під керівництвом Мішель Хілл з колегами Стівеном Кейном, Бредфордом Фолі та Лорою Шефер спробувала відповісти на це питання за допомогою нової моделі — STEHM (Smaller Than Earth Habitability Model, «Модель придатності для життя менших за Землю планет»).

Питання не абстрактне. Телескопи наступного покоління дедалі частіше знаходитимуть кам'янисті екзопланети розміром менше Землі. Ресурсів на детальне вивчення атмосфери кожної з них не вистачить, тому потрібен спосіб заздалегідь визначити, які планети мають шанс утримати повітря, а які — ні.

Модель перевіряє планети від розміру Землі до половини її радіуса

STEHM моделює скелясті планети розміром від 1,0 до 0,5 радіуса Землі (R⊕), розташовані в зоні придатності для життя навколо зірки, схожої на Сонце. Дослідники простежують, чи здатна планета зберегти атмосферу протягом мільярдів років — тобто часу, порівнянного з віком самої Землі.

Результат виявився досить чітким: планети розміром ≥0,8 R⊕ утримують атмосферу за умов, близьких до земних. Усе, що менше, свою атмосферу з часом втрачає.

Для масштабу: 0,8 R⊕ — це проміжний розмір між Марсом (~0,53 R⊕) і Венерою (~0,95 R⊕). Марс потрапляє явно нижче цієї межі, і наслідки цього видно неозброєним оком — його атмосфера в сотні разів розрідженіша за земну.

Вуглець у надрах виявився головним фактором

За певних поєднань параметрів межа зсувається до 0,7 R⊕, але для цього планеті потрібні нетипові стартові умови. Найсильніше на результат впливає початковий запас вуглецю всередині планети.

Вуглець живить вулканічну дегазацію — процес, коли гази з надр виходять на поверхню через виверження і поповнюють атмосферу, компенсуючи втрати в космос. Але щоб суттєво продовжити «життя» атмосфери, запас вуглецю має відрізнятися від земного на порядки, а не на відсотки.

Найкращі шанси зберегти атмосферу мають планети з великим запасом вуглецю, значною кількістю радіоактивних елементів у надрах (вони виділяють тепло і підтримують вулканічну активність), прохолодною мантією на ранніх етапах формування та відносно невеликим ядром порівняно із загальним розміром планети.

Модель навмисно консервативна

STEHM побудована на прикладі планети зі «стагнантною кришкою» (stagnant lid) — типом геологічної будови, за якої кора не рухається окремими плитами, а лежить суцільним нерухомим шаром. Так влаштовані Марс і Венера, на відміну від Землі з її тектонікою плит.

Це свідомо обраний консервативний сценарій. Тектоніка плит, ймовірно, лише покращила б здатність планети утримувати атмосферу, оскільки рух плит сприяє більш ефективній дегазації надр. Тобто реальна нижня межа розміру для планет із рухомою корою може бути ще нижчою за 0,7–0,8 R⊕.

Автори наголошують, що збереження атмосфери на малих планетах залежить не лише від розміру, а й від умов формування та ранньої еволюції — початкового теплового режиму, вмісту радіоактивних елементів і запасів вуглецю.

Практична цінність моделі — у пріоритизації цілей для спостережень. Коли майбутні телескопи почнуть виявляти дедалі менші кам'янисті екзопланети, STEHM допоможе визначити, які з них варто в першу чергу перевіряти на наявність атмосфери й потенційної придатності для життя, а які, найімовірніше, вже втратили повітря так само, як це сталося з Марсом.