Astronomia

Quanto può essere vicino a una stella ospite un pianeta bloccato dalle maree e il suo lato oscuro mantiene ancora una temperatura moderata?

Quanto può essere vicino a una stella ospite un pianeta bloccato dalle maree e il suo lato oscuro mantiene ancora una temperatura moderata?

Quindi, immagina un pianeta senza atmosfera, bloccato in marea su una stella simile al sole. Quanto può essere vicino alla stella il pianeta prima che il suo lato oscuro diventi troppo caldo?

Immagino che a un certo punto le rocce sul lato illuminato dal sole si scioglieranno ed evaporeranno in modo che il lato oscuro subisca precipitazioni rocciose. Questo sarebbe vero?

Inoltre, a un certo punto l'atmosfera della stella stessa inghiottirebbe il pianeta.

Ma a che punto questi effetti renderebbero insopportabili le condizioni sul lato oscuro?


La tua idea generale su questo processo è corretta. A distanza ravvicinata dal semiasse maggiore, la roccia può evaporare e formare un'atmosfera di silicato-ossigeno. Per i pianeti rocciosi di piccola massa, il flusso di condensazione dal lato diurno a quello notturno, essendo necessariamente molto caldo, dovrà competere con la possibilità di fuoriuscire invece verticalmente dal lato notturno, invece di precipitare. Per i pianeti di massa più elevata, la fuga verticale sarà troppo difficile e il gas caldo di silicato-ossigeno si ricondenserà sul lato notturno e quindi si riscalderà tramite radiazione termica e calore latente di condensazione.

Questo è un problema su cui sono in corso le ricerche attuali e non molti gruppi hanno lavorato su questo, ad eccezione di un fantastico articolo uscito quest'anno. Incollano insieme quattro diversi modelli 1D per rappresentare insieme verticale e orizzontale per ogni lato diurno e notturno di pianeti che stanno evaporando catastroficamente, al fine di creare una sorta di falso modello 2D dell'atmosfera planetaria di silicato.
I loro lati notturni sono molto caldi in generale (500-1000 K), ma purtroppo non danno densità o pressioni di silicato. Quindi, senza la densità, è difficile stimare quanto sarebbe il trasferimento di calore tra il gas silicato e un essere umano, cioè quanto un essere umano "sentirebbe".

Se sei molto curioso, sono sicuro che puoi costruire questo effetto, assumendo le pressioni di saturazione dei silicati, che sono fornite in questo articolo.


Immagino che un pianeta diventerà troppo caldo per la vita di tipo terrestre - o anche una vita ipotetica con biochimiche diverse potrebbe essere in grado di vivere a temperature molto più alte della vita terrestre - molto prima che venga inghiottita dall'atmosfera della sua stella.

Anche le stelle più fredde hanno temperature superficiali di qualche migliaio di gradi, quindi un pianeta abbastanza vicino alla superficie di una stella da essere inghiottito dall'atmosfera della stella sarebbe probabilmente troppo caldo anche per ipotetiche biochimiche aliene.

Poiché il tuo pianeta è privo di atmosfera, non ci sarebbe scambio di calore da parte di liquidi o gas tra il lato diurno e il lato notturno. Ma il calore si diffonderebbe attraverso le rocce dal lato caldo al lato più freddo e lo riscalderebbe.

Ma non sono in grado di calcolare quali condizioni sarebbero necessarie affinché il lato oscuro del pianeta abbia una temperatura specifica.

Noto che chiedi:

Ma a che punto questi effetti renderanno insopportabili le condizioni sul lato oscuro?

E devo chiedere:

"Per chi o per cosa le condizioni del lato oscuro sarebbero insopportabili".

Stai chiedendo degli esploratori umani che atterrano su astronavi, costruiscono basi e vanno in giro con le tute spaziali? Vuoi sapere quanto può diventare calda la superficie prima che diventi troppo calda per gli umani in tute spaziali, veicoli con aria condizionata e basi con aria condizionata?

O stai chiedendo cosa renderebbe il lato oscuro insopportabilmente caldo per le forme di vita native del pianeta?

Sulla Terra, l'acqua esiste in tre diversi stati, solido, liquido e gas, e spesso transita tra diversi stati. E ci aspetteremmo che qualsiasi altra sostanza chimica utilizzata come solvente e mezzo per la vita aliena passi anche da solido, liquido e gas alle temperature adatte a quell'ipotetica vita aliena con biochimica radicalmente diversa.

Quando la pressione atmosferica diminuisce, anche la temperatura alla quale un liquido bolle e scende. A una pressione atmosferica sufficientemente bassa, quel liquido sublima e passa direttamente da solido a vapore, senza uno stadio liquido. Nel vuoto o quasi, tutte le sostanze passeranno direttamente da solide a gassose e qualsiasi liquido bollirà rapidamente.

E il tuo pianeta è definito come:

un pianeta privo di atmosfera, legato alle maree a una stella simile al sole.

Quindi il tuo pianeta non dovrebbe avere corpi di alcun liquido che le forme di vita potrebbero usare sulla sua superficie.

L'unico modo per dare al tuo pianeta una vita nativa è dargli grandi corpi di liquido sul lato oscuro ricoperti da strati molto spessi di liquido congelato.

Quindi potrebbero esserci mari interni di metano liquido, ricoperti da spessi strati di metano congelato. E forse potrebbero esserci forme di vita ipotetiche che utilizzano metano liquido nell'oceano di metano. Poiché il calore dal lato diurno viene condotto attraverso le rocce al lato notturno, l'oceano di metano liquido si riscalderà, forse diventando troppo caldo per la vita basata sul metano. E alla fine l'oceano di metano si trasformerà in vapore di metano e forse farà esplodere le lastre di ghiaccio di metano sopra di esso.

E forse ci sono mari interni di ammoniaca liquida, ricoperti da spessi strati di ammoniaca ghiacciata. E forse potrebbero esserci forme di vita ipotetiche che usano l'ammoniaca liquida nell'oceano di ammoniaca. Poiché il calore dal lato diurno viene condotto attraverso le rocce al lato notturno, l'oceano di ammoniaca liquida si riscalderà, probabilmente diventando troppo caldo per la vita a base di ammoniaca. E alla fine l'oceano di ammoniaca si trasformerà in vapore di ammoniaca e forse farà esplodere le lastre di ghiaccio di ammoniaca sopra di esso.

E forse ci sono mari interni di acqua liquida, ricoperti da spessi strati di acqua ghiacciata. E forse potrebbero esserci forme di vita ipotetiche che usano acqua liquida nell'oceano d'acqua. Poiché il calore dal lato diurno viene condotto attraverso le rocce al lato notturno, l'oceano di acqua liquida si surriscalda, forse diventando troppo caldo per la vita basata sull'acqua. E alla fine l'oceano d'acqua si trasformerà in vapore acqueo e forse farà esplodere le lastre di ghiaccio d'acqua sopra di esso.

E forse ci sono mari interni di zolfo liquido, ricoperti da spesse lastre di zolfo ghiacciato. E forse potrebbero esserci forme di vita ipotetiche che utilizzano zolfo liquido nell'oceano di zolfo. Poiché il calore dal lato diurno viene condotto attraverso le rocce al lato notturno, l'oceano di zolfo liquido si riscalderà, forse diventando troppo caldo per la vita a base di zolfo. E alla fine l'oceano di zolfo si trasformerà in vapore di zolfo e forse farà esplodere le lastre di ghiaccio di zolfo sopra di esso.

E naturalmente diverse temperature delle rocce sul lato notturno sarebbero necessarie per la vita basata sul metano, o la vita basata sull'ammoniaca, o la vita basata sull'acqua, o la vita basata sullo zolfo. O la vita usando qualche altro solvente.

Vedere:

https://en.wikipedia.org/wiki/Hypothetical_types_of_biochemistry[1]

Noto che il tuo pianeta è descritto come:

un pianeta privo di atmosfera, legato alle maree a una stella simile al sole

Se la stella ha la stessa massa e luminosità del Sole, la distanza alla quale un pianeta nel nostro sistema solare si bloccherebbe secondo le maree sarebbe la distanza alla quale il tuo pianeta immaginario si bloccherebbe secondo le maree con la sua stella. E quindi la temperatura planetaria sarebbe simile a quella di un pianeta a quella distanza dal Sole.

Pianeti abitabili per l'uomo Stephen H. Dole, 1964, 2007, discute i vari fattori che rendono i mondi abitabili o meno per gli umani.

https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/commercial_books/2007/RAND_CB179-1.pdf[2]

A pagina 71 la tabella 9 elenca le forze calcolate degli effetti di ritardo di marea su vari oggetti nel Sistema Solare ed elenca dove sono bloccati o meno dalle maree.

Dole conclude a pagina 70 che quando il fattore di h al quadrato è da qualche parte tra 1.2 e 2.0, la rotazione del pianeta verrà "fermata" (in realtà bloccata in base alle maree sul suo primario).

Tuttavia, c'è un problema con la conclusione di Dole. Fu scritto quando si credeva che il pianeta Mercurio, che è molto più vicino al Sole che alla Terra e quindi molto più caldo sul lato del giorno, fosse bloccato in marea rispetto al Sole, mantenendo un lato eternamente rivolto verso il Sole.

Ma nel 1965 si scoprì che Mercurio non è agganciato al Sole in marea.

Per molti anni si è pensato che Mercurio fosse sincronico in rotazione sincrona con il Sole, ruotando una volta per ogni orbita e mantenendo sempre la stessa faccia rivolta verso il Sole, allo stesso modo in cui lo stesso lato della Luna è sempre rivolto verso la Terra. Le osservazioni radar nel 1965 hanno dimostrato che il pianeta ha una risonanza di spin-orbita 3:2, ruotando tre volte ogni due rivoluzioni attorno al Sole. L'eccentricità dell'orbita di Mercurio rende questa risonanza stabile: al perielio, quando la marea solare è più forte, il Sole è quasi fermo nel cielo di Mercurio.[114]

Il raro blocco di marea risonante 3:2 è stabilizzato dalla variazione della forza di marea lungo l'orbita eccentrica di Mercurio, che agisce su una componente di dipolo permanente della distribuzione di massa di Mercurio.[115] In un'orbita circolare non esiste tale varianza, quindi l'unica risonanza stabilizzata in tale orbita è a 1:1 (ad es. Terra-Luna), quando la forza di marea, allungando un corpo lungo la linea del "corpo centrale", esercita una coppia che allinea l'asse di minima inerzia del corpo (l'asse "più lungo", e l'asse del suddetto dipolo) per puntare sempre al centro. Tuttavia, con un'eccentricità notevole, come quella dell'orbita di Mercurio, la forza di marea ha un massimo al perielio e quindi stabilizza le risonanze, come 3:2, imponendo che il pianeta punti il ​​suo asse di minima inerzia approssimativamente verso il Sole quando passa attraverso il perielio.[ 115]

Il motivo originale per cui gli astronomi pensavano che fosse bloccato in modo sincrono era che, ogni volta che Mercurio era nella posizione migliore per l'osservazione, era sempre quasi allo stesso punto nella sua risonanza 3:2, mostrando quindi la stessa faccia. Questo perché, per coincidenza, il periodo di rotazione di Mercurio è quasi esattamente la metà del suo periodo sinodico rispetto alla Terra. A causa della risonanza spin-orbita di Mercurio 3:2, un giorno solare dura circa 176 giorni terrestri.[22] Un giorno siderale (il periodo di rotazione) dura circa 58,7 giorni terrestri.[22]

https://en.wikipedia.org/wiki/Mercurio_(pianeta)#Orbita,_rotazione,_e_longitudine[3]

Quindi è possibile che un pianeta debba essere ancora più vicino a una stella simile al sole, e quindi anche più caldo, di Mercurio per essere bloccato in base alle maree. Ma è possibile che i motivi per cui Mercurio ha una risonanza dell'orbita di spin 3:2 non si applichino a tutti i pianeti che orbitano alla distanza di Mercurio da stelle simili al sole, e che alcuni pianeti potrebbero rimanere bloccati in base alle maree alla distanza di Mercurio e anche più lontano da un stella simile al sole.

I pianeti Mercurio e Venere non sono agganciati al Sole in marea, e quindi non hanno il giorno eterno da una parte e la notte eterna dall'altra. Ma hanno giorni e notti molto lunghi.

Su Venere c'è poca differenza di temperatura tra il giorno e la notte, perché la densa atmosfera diffonde il calore in modo uniforme su tutto il pianeta.

Mercurio ha una giornata molto lunga, ma ha alternanze di giorno e notte.

La temperatura superficiale di Mercurio varia da 100 a 700 K (da -173 a 427 ° C; da -280 a 800 ° F) [18] nei luoghi più estremi: 0 ° N, 0 ° W o 180 ° W. Non supera mai i 180 K ai poli,[12] a causa dell'assenza di atmosfera e di un forte gradiente di temperatura tra l'equatore ei poli. Il punto subsolare raggiunge circa 700 K durante il perielio (0°W o 180°W), ma solo 550 K all'afelio (90° o 270°W).[73] Sul lato oscuro del pianeta, la temperatura media è di 110 K.[12][74] L'intensità della luce solare sulla superficie di Mercurio varia tra 4,59 e 10,61 volte la costante solare (1.370 W·m-2).[75]

Una temperatura del lato oscuro di 110 Kelvin equivarrebbe a meno 261,67 gradi Fahrenheit (-163 °C).

Quindi la temperatura su un punto tipico di Mercurio aumenterà e diminuirà di centinaia di gradi ogni giorno mercuriano. Mercurio ruota rispetto alle stelle (giorno siderale) ogni 59 giorni terrestri, ma compie una rotazione completa rispetto al Sole (giorno solare) ogni 175,97 giorni terrestri.

Quindi un punto su Mercurio che ha una temperatura di circa 110 K lo farà salire di almeno 300 K durante un periodo di 87,985 giorni terrestri, per poi scendere di nuovo di almeno 300 K nei prossimi 87.985 giorni terrestri.

Penso che questo significhi che le rocce e altri materiali di superficie su Mercurio non conducono molto bene il calore. E forse ciò potrebbe significare che il lato oscuro di un pianeta senza aria bloccato dalle maree potrebbe essere molto, molto freddo.

Quando si credeva che Mercurio fosse legato al Sole, era logico supporre che il lato oscuro di Mercurio fosse il luogo più freddo del sistema solare, e quindi la storia di Larry Niven ambientata sul lato oscuro del mercurio era intitolata "The Coldest Posto".

Quindi è possibile che un pianeta senz'aria bloccato dalle maree dovrebbe essere molto vicino alla sua stella per avere abbastanza calore dal lato diurno per raggiungere il lato notturno e aumentare la temperatura a un caldo insopportabile invece che giusto o invece di un freddo insopportabile.


In che modo la polvere potrebbe rendere più abitabili alcuni esopianeti

Tre simulazioni al computer che descrivono come la polvere trasportata dall'aria può essere distribuita dai venti su esopianeti rocciosi come la Terra. Immagine via Denis Sergeev/ Università di Exeter/ ScienceAlert.

Cosa rende abitabile un pianeta? Vari fattori possono influenzare la capacità di un pianeta di sostenere la vita, come la temperatura, la quantità di acqua, la composizione sia del pianeta che della sua atmosfera e la quantità di radiazioni dalla stella ospite. Il mese scorso, i ricercatori nel Regno Unito hanno affermato di aver scoperto che un componente comune delle atmosfere – polvere– potrebbe aumentare l'abitabilità di alcuni esopianeti.

I risultati della revisione paritaria sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura il 9 giugno 2020.

Questa è una scoperta significativa, poiché suggerisce che i pianeti con molta polvere nelle loro atmosfere potrebbero avere condizioni abitabili più lontane dalle loro stelle di quanto si pensasse in precedenza. Ciò, in effetti, amplierebbe la zona abitabile, che è fondamentalmente la regione attorno a una stella in cui le temperature su una roccia potrebbero consentire l'esistenza di acqua liquida.

Nel nuovo studio sono stati coinvolti ricercatori dell'Università di Exeter, del Met Office e dell'Università dell'East Anglia (UEA).

Effetti della polvere sul clima dei pianeti. Per un pianeta bloccato dalla marea (a) e un pianeta non bloccato dalla marea (b), i pannelli a–d mostrano lo stato di base dei pianeti, e–h mostrano la forzatura a onde corte (stellari) e lunghe (infrarossi) (cambiamento nel bilancio energetico superficiale) introdotto dalla polvere e i–j mostrano l'effetto risultante della forzatura sulla temperatura superficiale. Le frecce blu mostrano il movimento del pianeta attorno alla stella e le frecce verdi mostrano la rotazione del pianeta rispetto alla stella. Immagine via Boutle et al./ Comunicazioni sulla natura.

L'identificazione di pianeti abitabili oltre il nostro sistema solare è un obiettivo chiave delle missioni spaziali attuali e future. Eppure l'abitabilità dipende non solo dall'irraggiamento stellare, ma anche dalle parti costituenti l'atmosfera planetaria. Qui mostriamo, per la prima volta, che la polvere minerale radiativamente attiva avrà un impatto significativo sull'abitabilità degli esopianeti simili alla Terra.

Nel nostro sistema solare, Marte viene in genere in mente quando pensiamo a un mondo polveroso, ma rimane un pianeta freddo e secco sulla superficie a causa della sua atmosfera molto sottile. Ma per alcuni esopianeti, specialmente quelli che sono agganciati alle loro stelle in termini di marea, potrebbe essere una situazione diversa. Ian Boutle, sia del Met Office che dell'Università di Exeter e autore principale dello studio, ha dichiarato in una dichiarazione:

Sulla Terra e su Marte, le tempeste di polvere hanno effetti sia di raffreddamento che di riscaldamento sulla superficie, con l'effetto di raffreddamento tipicamente vincente. Ma questi pianeti con "orbita sincronizzata" sono molto diversi. Qui, i lati oscuri di questi pianeti sono nella notte perpetua e l'effetto di riscaldamento vince, mentre sul lato di giorno vince l'effetto di raffreddamento. L'effetto è quello di moderare le temperature estreme, rendendo così il pianeta più abitabile.

Il fattore polvere è particolarmente significativo per i pianeti in orbita attorno alle stelle nane rosse, il tipo più comune di stelle nella nostra galassia. È probabile che molti pianeti intorno a quelle stelle siano bloccati in base alle maree, orbitando con un lato del pianeta sempre rivolto verso la stella, proprio come la luna mantiene sempre un lato rivolto verso la Terra. Quei pianeti avrebbero un lato sempre alla luce del giorno e l'altro sempre al buio. Se c'è molta polvere, ciò potrebbe aiutare a raffreddare il lato più caldo del giorno e riscaldare il lato più freddo della notte.

Concetto dell'artista di un esopianeta nuvoloso e roccioso in orbita attorno a una stella nana rossa. La polvere nelle atmosfere di pianeti come questo potrebbe moderare gli estremi di temperatura se i pianeti sono in rotazione sincrona, contribuendo a renderli più abitabili. Immagine tramite L. Hustak/ J. Olmsted (STScI)/ NASA.

In uno scenario interessante, la polvere potrebbe aiutare i pianeti caldi a trattenere la loro acqua superficiale, se ne hanno. Un pianeta molto caldo, come Venere, potrebbe essere raffreddato da una quantità sufficiente di polvere nell'atmosfera. La quantità di polvere aumenterebbe quindi man mano che l'acqua inizia a perdersi sulla superficie del pianeta, che, ironia della sorte, in un processo chiamato feedback climatico negativo, rallenterà la perdita di acqua. Dal giornale:

Sui pianeti bloccati dalle maree, la polvere raffredda il lato diurno e riscalda il lato notturno, ampliando notevolmente la zona abitabile. Indipendentemente dalla configurazione orbitale, suggeriamo che la polvere trasportata dall'aria può posticipare la perdita d'acqua planetaria al bordo interno della zona abitabile, attraverso un feedback che comporta una diminuzione della copertura oceanica e un aumento del carico di polvere.

La quantità di energia che un pianeta riceve dalla sua stella è una parte importante della valutazione dell'abitabilità, ma come ha notato Manoj Joshi dell'UEA, anche la composizione dell'atmosfera, inclusa la polvere, è molto importante:

La polvere nell'aria è qualcosa che potrebbe mantenere i pianeti abitabili, ma oscura anche la nostra capacità di trovare segni di vita su questi pianeti. Questi effetti devono essere considerati nella ricerca futura.

I ricercatori hanno eseguito una serie di simulazioni di pianeti rocciosi delle dimensioni della Terra e hanno scoperto che la polvere minerale naturale può avere un grande impatto sull'abitabilità di tali pianeti.

Marte è un luogo molto polveroso e sono comuni enormi tempeste di polvere, ma la polvere non riscalda molto il pianeta poiché l'atmosfera è così sottile. Immagine tramite SA/ Roscosmos/ CaSSIS/ CC BY-SA 3.0 IGO/ Nuovo scienziato.

Duncan Lyster, che ha condotto un esperimento universitario come parte dello studio generale (e ora costruisce le sue tavole da surf), ha anche detto:

È emozionante vedere i risultati della ricerca pratica nel mio ultimo anno di studio dando i suoi frutti. Stavo lavorando a un affascinante progetto di simulazione dell'atmosfera di un esopianeta e ho avuto la fortuna di far parte di un gruppo che poteva portarlo a livello di ricerca di livello mondiale.

I ricercatori sottolineano anche che la polvere nell'atmosfera di un pianeta deve essere presa in considerazione durante la ricerca di possibili biomarcatori in quell'atmosfera. Questi biomarcatori potrebbero includere gas come ossigeno, metano e ozono e, se anche ci fosse abbastanza polvere, la polvere potrebbe oscurarne il rilevamento, producendo un risultato falso negativo. Se i potenziali biomarcatori venissero persi in questo modo, il pianeta potrebbe essere erroneamente caratterizzato come inabitabile. Tali biomarcatori, che saranno ricercati con i prossimi telescopi spaziali come il James Webb Space Telescope (JWST) e altri, saranno un aspetto cruciale della ricerca di prove di vita oltre il nostro sistema solare. Identificarli è già una sfida a causa delle estreme distanze da questi mondi, quindi anche conoscere la quantità di polvere in un'atmosfera planetaria sarà importante. Dal giornale:

L'inclusione di polvere oscura significativamente i gas biomarcatori chiave (ad esempio ozono, metano) negli spettri di trasmissione simulati, il che implica un'importante influenza sull'interpretazione delle osservazioni. Dimostriamo che i futuri studi osservativi e teorici sugli esopianeti terrestri devono considerare l'effetto della polvere.

Ian Boutle del Met Office e dell'Università di Exeter, autore principale del nuovo studio. Immagine tramite Google Scholar.

Nathan Mayne dell'Università di Exeter, che ha assistito allo studio, ha anche notato come l'astrofisica in generale svolgerà un ruolo importante. Egli ha detto:

Ricerche come questa sono possibili solo incrociando le discipline e combinando l'eccellente comprensione e le tecniche sviluppate per studiare il clima del nostro pianeta, con l'astrofisica all'avanguardia. Essere in grado di coinvolgere studenti universitari di fisica in questo e in altri progetti offre anche un'eccellente opportunità per coloro che studiano con noi di sviluppare direttamente le competenze necessarie in tali progetti tecnici e collaborativi. Con strutture rivoluzionarie come il JWST e l'E-ELT, che saranno disponibili nel prossimo futuro e destinate a fornire un enorme balzo in avanti nello studio degli esopianeti, ora è un ottimo momento per studiare fisica!

La nuova valutazione sulla polvere esoplanetaria sarà molto utile per gli scienziati che cercheranno biomarcatori e altre prove per esomondi abitabili, oltre a studiare come la polvere può influenzare il clima e l'ambiente di un pianeta in generale.

In conclusione: la polvere atmosferica potrebbe aumentare l'abitabilità di alcuni esopianeti.


I bizzarri pianeti che potrebbero essere le nuove case dell'umanità

Come sarebbe la civiltà umana in un mondo bloccato dalle maree?

Immagina di andare a vivere su un pianeta dove il sole non si muove mai nel cielo. Niente alba, niente tramonto.

Diversi anni fa, sono diventato ossessionato dai pianeti bloccati dalle maree. L'idea di un mondo permanentemente incastrato tra due estremi - con una metà sempre illuminata, l'altra sempre al buio - si impadronì della mia immaginazione. Mi sono reso conto che pianeti come questi erano la scommessa più sicura nella ricerca di luoghi simili alla Terra in cui i nostri discendenti potessero stabilirsi. Mondi di oscurità eterna e luce solare infinita potrebbero essere il futuro della razza umana, se siamo seri riguardo alla vita in altri sistemi solari.

Gli astronomi ritengono che la maggior parte dei pianeti della nostra galassia che hanno temperature simili alla Terra siano probabilmente bloccati dalle maree. Poiché il loro periodo orbitale è lo stesso del loro periodo di rotazione, questi pianeti presenteranno sempre la stessa faccia al loro sole, proprio come vediamo sempre lo stesso lato della luna, mentre orbita attorno alla Terra.

E la ragione di questo eccesso di mondi bloccati dalle maree è piuttosto semplice. Fino a tre quarti dei soli nella nostra galassia sono nane rosse, o "M-nane", più piccole e più fredde del nostro sole. Qualsiasi pianeta in orbita attorno a una di queste nane M dovrebbe essere molto più vicino alla sua stella per supportare la vita umana, così come Mercurio è vicino al nostro sole. E a quella distanza, la gravità della stella la trascinerebbe in un'orbita bloccata dalle maree.

Ad esempio, gli astronomi hanno recentemente scoperto sette pianeti delle dimensioni della Terra nella zona abitabile del sistema TRAPPIST-1, tutti probabilmente bloccati in base alle maree.

La mia ossessione per questi pianeti ha portato al mio nuovo romanzo, La città nel cuore della notte. Per immaginare tutte le loro strane caratteristiche geologiche e gli strani effetti a catena, ho parlato con Lindy Elkins-Tanton, il direttore della School of Earth and Space Exploration presso l'Arizona State University, e con altri scienziati che li studiano, e ho letto quanto delle ultime ricerche come ho potuto. Più di ogni altra cosa, sono rimasto affascinato cercando di immaginare come sarebbe per le persone che vivono su un pianeta in cui il cielo non cambia mai.

Per ora, parlare di questi pianeti significa abbandonarsi alla speculazione, che è la situazione perfetta per uno scrittore di fantascienza. Ma stiamo imparando abbastanza sulle dinamiche dei mondi bloccati dalle maree per iniziare a capire come funzionerebbero e che tipo di civiltà potremmo costruire lì.

La prima domanda: dove si stabilirebbero gli umani su un pianeta bloccato dalle maree? Quando ho iniziato a lavorare al mio libro, la risposta più chiara sembrava essere il terminatore, la striscia di crepuscolo tra il lato diurno e il lato notturno. "Potrebbe essere la zona di Riccioli d'oro", né troppo calda né troppo fredda, ma bloccata "tra l'eterno crepuscolo e l'eterna alba", afferma Daniel Angerhausen, astrofisico del Centro per lo spazio e l'abitabilità dell'Università di Berna.

Nella zona del terminatore, suggerisce Angerhausen, gli esseri umani potrebbero essere in grado di generare energia geotermica, utilizzando l'acqua fredda dal lato notturno e l'acqua calda dal lato diurno in "una sorta di reattore termico".

Per avere accesso all'acqua allo stato liquido in un mondo bloccato dalle maree, è necessario un sistema per raffreddare il lato diurno e riscaldare il lato notturno, afferma Ludmila Carone del Max Planck Institute for Astronomy. Altrimenti, tutto il liquido potrebbe rimanere bloccato nel ghiaccio sul lato notturno, o peggio ancora, l'atmosfera stessa potrebbe congelarsi al buio.

"L'abitabilità di questi pianeti dipende molto dalla capacità di trasportare il calore", afferma Carone. I suoi modelli al computer mostrano che un pianeta bloccato dalle maree potrebbe avere due forti getti di vento, uno in ciascun emisfero, che potrebbero agire un po' come la corrente a getto qui sulla Terra. Ma se il pianeta è troppo vicino al sole, potrebbe avere un solo getto di vento, direttamente sulla parte più vicina al sole. In tale scenario, il calore potrebbe essere intrappolato durante il giorno.

Anche un differenziale di temperatura relativamente modesto (diciamo 50 gradi Fahrenheit) tra i due lati potrebbe rendere più difficile la vita su questi pianeti. Un clima piacevolmente mite di giorno potrebbe comunque lasciare il lato notturno abbastanza freddo da congelare l'acqua, secondo Laura Kreidberg, una giovane ricercatrice dell'Università di Harvard che studia le atmosfere degli esopianeti. "Potrebbe tutta l'acqua del pianeta congelare sul lato notturno? Non lo sappiamo ancora", dice. Anche le correnti oceaniche potrebbero aiutare a trasportare il calore, ma questi effetti dipendono da quanta acqua ha il pianeta e da dove si trovano i continenti.

Uno scenario possibile per un pianeta bloccato dalle maree è quello che è noto come il modello della "Terra del bulbo oculare", in cui un pianeta inizia interamente coperto di ghiaccio, che poi si scioglie sul lato rivolto verso il sole. A un osservatore dallo spazio, questo potrebbe sembrare un bulbo oculare, spiega Angerhausen. Oppure, con un oceano che trasporta abbastanza calore, potresti ritrovarti con un oceano a forma di aragosta circondato dal ghiaccio.

Negli scenari più estremi, il calore sul lato chiaro diventa così estremo che l'acqua non può esistere. Ma con una differenza di temperatura sufficiente, può riformarsi sul lato notturno.

Questo è ciò che accade su un pianeta bloccato dalle maree chiamato WASP-103b, un mondo di tipo "Giove caldo". Secondo Vivien Parmentier dell'Università di Aix Marseille, autore (insieme a Kreidberg) di un recente studio su WASP-103b, le molecole d'acqua vengono distrutte sul lato diurno del pianeta, solo per tornare al lato notturno e ricombinarsi in molecole d'acqua che formano nuvole . e poi il processo si ripete.

Oltre ai problemi con la ricerca di acqua liquida, un mondo bloccato dalle maree attorno a una nana rossa potrebbe avere altri problemi, afferma Carone. Le nane rosse sono "notoriamente capricciose" e tendono a passare attraverso lunghe fasi in cui divampano ed espellono materiale nello spazio.

Queste fiammate potrebbero riscaldare l'atmosfera di un pianeta nella zona abitabile, mentre la stella potrebbe anche espellere materiale che strappa via l'atmosfera. Questo è successo alla Terra all'inizio, quando la nostra atmosfera originale ci è stata strappata via. In seguito, la Terra ha "sudato" un'altra atmosfera dall'anidride carbonica intrappolata. Ma su un mondo bloccato dalle maree, un'interruzione solare abbastanza violenta potrebbe liberarsi anche di una seconda atmosfera.

Anche con un'atmosfera, il lato diurno del pianeta potrebbe essere esposto a radiazioni mortali, afferma Parmentier. La luce di una nana rossa non fornirebbe abbastanza delle lunghezze d'onda UV necessarie per produrre l'ozono, quindi questo pianeta, a differenza della Terra, potrebbe non avere uno strato di ozono. (Nel mio romanzo, la luce solare diretta non è solo troppo calda, ma provoca anche brutte ustioni, quindi le persone devono stare all'ombra.)

Tutti gli esseri umani che vivono sul pianeta avrebbero anche bisogno di mangiare e respirare, e i fisici Joseph Gale e Amri Wandel dell'Università Ebraica hanno studiato se la vita vegetale potrebbe sopravvivere ai brillamenti e all'esposizione alle radiazioni. All'inizio, le piante potrebbero evolversi nell'oceano per sfruttare lo strato protettivo dell'acqua. Ma alla fine, se la stella diventasse meno violenta, il pianeta potrebbe sviluppare un'atmosfera abbastanza densa da consentire alle piante di crescere sulla terra. Gale e Wandel hanno anche calcolato che probabilmente ci sarebbe abbastanza luce nello spettro visibile per consentire la normale fotosintesi.

Con un'atmosfera che potrebbe sostenere la vita, tuttavia, ci sarebbero anche correnti d'aria abbastanza forti da raffreddare la parte diurna del pianeta. La temperatura potrebbe finire per essere più o meno la stessa delle regioni tropicali della Terra. Un'atmosfera potrebbe anche aiutare a creare uno strato di nubi che fungerebbe da parasole permanente. Poiché scienziati come Carone hanno creato modelli al computer di mondi bloccati dalle maree, credono sempre più che gli umani possano vivere al di fuori della regione del terminatore.

Adiv Paradise, un dottorato di ricerca studente di astronomia e astrofisica all'Università di Toronto, ha un'ipotesi su come potrebbe essere: le persone potrebbero vivere di giorno, ma avrebbero bisogno di costruire operazioni di estrazione e oleodotti per portare il ghiaccio dal lato notturno. Molto dipende da quanto grave potrebbe essere il bombardamento di radiazioni sul lato diurno. Paradise pensa anche che le persone potrebbero imparare a vivere sul lato notturno ghiacciato: "Vengo dal Minnesota. Le persone riescono a vivere in tutti i tipi di posti che gli astronomi descriverebbero come "non abitabili".

La più grande sfida per gli umani che vivono in un mondo bloccato dalle maree, dice Paradise, potrebbe essere il cielo molto diverso. Se vivessero di giorno, potrebbero "perdere tutta la conoscenza dell'universo", perché non vedrebbero mai le stelle. Anche la loro percezione del passare del tempo sarebbe alterata, perché “nulla nel cielo cambierebbe mai”.

Ispirato da queste preoccupazioni, in La città nel cuore della notte, ho creato due diverse società umane con approcci selvaggiamente divergenti al problema dei ritmi circadiani e del passare del tempo. E i miei coloni umani sfruttano sicuramente le differenze di temperatura per creare energia geotermica, come suggerisce Angerhausen. Tuttavia, il mio mondo bloccato dalle maree non rifletteva questi modelli di computer più recenti e ha finito per essere un po' più fantasioso in alcuni dettagli. C'è sempre un compromesso tra accuratezza scientifica e narrazione e, in qualche modo, potrei aver finito per scrivere un po' una favola sugli esopianeti.

Ma volevo aiutare le persone a immaginare la stranezza, il terrore e lo splendore di abitare un pianeta che orbita attorno a una stella aliena. Credo che i romanzi sui mondi bloccati dalle maree diventeranno un sottogenere in rapida crescita man mano che faremo più scoperte e raccoglieremo più dati osservativi. Ci sono così tante belle storie da raccontare sulla visita di questi mondi di luce solare e oscurità senza fine. E sognare la vita su un altro pianeta è un modo di pensare al nostro posto nell'universo, come esseri umani, sia ora che nei millenni a venire.


Su un pianeta bloccato dalle maree, il tempo sarebbe quantizzato? [Chiuso]

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Assumiamo un pianeta che presenti sempre un lato al sole. Niente lune. The orbit of the planet around the star is essentially spherical, very minor and undetectable aberrations. The orbital period of the planet around the star is in multiples of the lifetimes of the sentient beings. That is, no sentient being lives long enough to go through one complete rotation.

NOTE: this question is not about HOW this would happen, it is to be taken as a given that it DID happen.

A sentient species evolves on this planet.

There are no day/night cycles, no seasons, and no cyclical changes in the sky - it would be constantly different throughout one's lifespan. No repeats. Life evolved without any natural circadian rhythm. Plants grew and died independently of any cycle. No defined growing season. A plant could sprout at any time, and die at any time. No menstrual cycles, no estrus cycles in animals. There would be no biological basis on which to establish any. Life would have evolved without any concept of cyclical time passage. As far as life was concerned, everything was eternally homogenous, time wise. Nothing happened in unison.

To these sentient beings, the passage of time is irrelevant. They have no way to compare the passage of time between people. Heart beats are different, respiration is different, one's pace in walking is different. The interval to travel from one point to another is different. It is human experience that what seems like a long period of time to one person is a short period of time for another person. The beings get to where they are going when they get there, without reference to anyone else's travels. They eat when they need to, irrespective of how long it has taken between meals (think of a snake, that can go for very long periods between meals, depending on how big the last meal was). Gestations are never the same length, so even if two beings got pregnant at the same time, the deliveries would never likely be at the same time. Two objects released from a height at the same moment would be observed to arrive at the ground at the same moment, but there would be no indication that if dropped at some other moment they would arrive at the ground in the same time as these two, without some form of quantized time.

Many of our 'Laws of Physics' require time to be quantized. Humans, of course, had to quantize time before we could develop any theories based on the quantization of time. This is a straightforward 'chicken or egg' thing.

It seems to me that if Galileo had no preconceived idea of the measure of the passage of time (through the passage of seasons, day/night cycles, etc) he would not have been able to discover that the periodicity of a pendulum was constant. Depending on his state of mind, sometimes the swing would appear to take forever, sometimes it would appear to be shorter.

It also seems to me that Newton relied on a distinct concept of the passage of quantized time before hand, in order to develop many of his Laws. (The action/reaction thing, and gravitational attraction thing, would be valid, just not quantized as to the passage of time).

Building structural integrity and engineering calculations for stresses have no time component to them, if built by 'Rule of Thumb' (We built the last one this thick, and it is still standing. The other one was built thinner, and it collapsed.)

If this sentient species had no experience that the passage of time was measurable and periodic, would they ever develop a method to quantize it? Would they ever TRY to quantize it, if there was nothing in their environment that was consistently and repeatedly cyclic, that they needed to or even that they could consistently measure? What would that quantization look like?

I submit that this question is NOT the same as this, as many of the answers pertain to some form of naturally occurring cycle observable by humans, and /or are based on human circadian rhythms, which are not experienced by this species. This life form evolved without any ability to determine periodic time spans. Also, that question asks what would they use to quantize time, this asks what would their method of quantizing time look like? Would they even understand that time could be quantized into absolute divisions, that were equivalent between people and between events?

A further corollary question will be something along the lines of 'What would the Laws of Physics look like without time being quantized in the same constant periodic way that humans have quantized it?' But that is NOT in the scope of this question.

The term 'quantized' comes from the digital field, not from quantum mechanics. The first use of quantum, in this regard, was in 1597. For a non-quantum-mechanics elaboration of the term, See Quantization (signal processing)

Quantization, in mathematics and digital signal processing, is the process of mapping input values from a large set (often a continuous set) to output values in a (countable) smaller set, often with a finite number of elements. Rounding and truncation are typical examples of quantization processes. Quantization is involved to some degree in nearly all digital signal processing, as the process of representing a signal in digital form ordinarily involves rounding.

It is impossible for this species to develop any kind of calendar or any kind of measurement for a periodic recurring cycle. No days, months, years, seasons, hunger cycles, menstrual cycles, crop cycles, planting seasons, harvesting seasons, sleep cycles, or any other natural seasonal phenomena'. It takes three or more lifespans for the sky to repeat. The entire life of the planet has evolved without periodic cycles or rhythms. There is nothing to measure it with. There is no way to tell that this current crop is growing faster, slower, or just the same as the last crop. No way to judge or compare the pregnancy duration of the first child, with the length of the pregnancy for the last child. There is no metric, nothing to count, measure, or quantify. Any answer based on comparing the length of a current event to past or future events in any manner that does not end up with a number, or quantity, of some absolutely replicable unit of measurement, of the actual duration of the event, (so for instance two pregnancies, one then and one now, can be compared in length), is immediately discarded. Any comparison to any time duration in the past has to involve some kind of numerical count for the duration of each event.

Way back as far as 1597, the term 'quantum' was used to mean an amount of something. You could have a quantum of wheat, a quantum of distance, a quantum of liquid, a quantum of patience, a quantum of intelligence. a quantum of solace, a quantum of time. Some of these we consider to be measurable, some not. For instance, we talk about someone having more patience than someone else, or that one is 'losing patience', but what is the measure of patience that reduces to zero? For the things that we consider measurable, we have developed a system whereby they can be measured, counted, or quantified. But unless we have the CONCEPT that we can measure it, there has been no real consistent attempt to develop units of measure. The word 'quantum' is sometimes applied to the 'unit' of measurement - a quantum of distance is the foot, or the inch, or the meter, a quantum of weight is the gram, or the ounce, or the stone. Note that each one is different, even for measuring the same thing, so generically the term applied was 'quantum' meaning 'measurable amount'. But not all things that you could have a quantum of, could you have a 'measurable amount' of. Like patience. We can still talk about a quantum pf patience, without really any attempt at measuring, counting, or quantifying it.

Before we can measure, count, or quantify something, we first have to form the concept that it CAN be measured, counted, or quantified. My question is about developing this concept for time. (It could also be asked about temperature as well - we know something can be hotter or colder than something else, butt it took us a long time to develop the concept that the comparison could be MEASURED.) We can understand that time flows, that there are time passages, that the future is not the past, and we are in the present. Having a concept that time passes is not the same as understanding that it is measurable. Can we have the CONCEPT that time is measurable? We can not see, taste, feel, touch, or senese it except through memory, of knowing that the past happened. That is the process I call quantization and Miriam_Webster agrees with me.

Definition of quantize transitive verb

1 : to subdivide (something, such as energy) into small but measurable increments

Okay, so someone appropriated the term 'quantum' and proceeded to minimize it to absurdity, and it is now narrowly defined by some physics purists as ONLY meaning something to do with quantum mechanics. You do not have to agree with the definition or my terminology, you can come up with your own, but it what I am after is NOT the process of measuring, counting, or quantifying something, it is the process of realizing something CAN be measured or quantified in the first place. I do not want to know HOW it is measured, conted, or quantified, just that this species has the understanding and the concept that it CAN be measured, counted, or quantified.

We humans got the concept that time is something that could be measured, from the obvious day/night cycle. Historically, that is the first form of measuring time. We could COUNT days, and COMPARE the count between one event and another. We could RECORD the count, to compare durations in the present to durations in the past. It was not hard to conceive of the periodicity and the regularity of the day/night cycle. We could count the number of days from winter solace to the next winter solace, and see that the count was always the same. We liver f=through enough winter solaces to get the idea. It was natural for us to develop the concept that time could be measured, counted, and quantified.

But what if there was no calendar? Nothing to count? What natural phenomena would develop the concept that time was measurable in any meaningful fashion? ANswering this is fundamental to my corollary question - what would be the limitations on this species on their concepts in physics, based on their concept of the measurability of time? How would they quantify speed, for instance? They could easily compare two people in a race, and determine one was faster than the other, but what would their equations look like, without time? Distance, it is obvious to measure. But time?And a unit for time? Just as improbable, perhaps, for this species as a unit for patience is to ours.

So any answer HAS to include the reason why this species could even conceive that time could be measured in the first place. Again, any answer based on the premise that time HAD to be measured, in order to do something, is immediately disqualified. If there was no concept that time could be measured, there would be no concept that in any particular situation it was needed to be measured. You just don't do any activity that is time dependent if you do not understand the concept of measuring time. 'Meeting someone at such-and-such time' is just something this species would ever think about, because it just couldn't be done. ANything that puts a demand on this culture for time dependency as we know it is just anthropomorphizing Western culture on another alien species. No they DON'T have to behave the same way we do.

Sure, there are a lot of situations in which measuring patience is useful, but in all that, we still have no concept that patience can be measured in any absolute way, so we do not consider it a necessity to measure it absolutely. Would time be the same for this species? If not, what would trigger in them the concept that time could be measurable in a quantized (repeatable, replicable, consistent, understandable, quantifiable, countable, measurable, observable, any term you wish to use) way?

So okay, being specific about the question, and explaining it thoroughly and understandably takes a long time. But it has become obvious that TL:DR methods just don't work for many people.

This did not make it into the previous edit.

Take, for instance, the development of the concept that length could be measured. I can measure a length of cloth with my arm, and mark it. Tomorrow, I can measure it, and find I get the same mark. I can measure ten arm's lengths, cut it off, and put it aside. I can take another piece of cloth, measure off ten lengths, and cut it. I can then compare the two lengths of cloth, and see they are both the same length. I can cut another piece of cloth at twenty arm's length, and notice it is as long as the other two pieces of ten arm's length combined. So I know length can be reliably, provably, replicably be measured. I can validate my measurement against something else. I can compare one measured piece with another that I made before and see that they are the same. I have no problem with the concept that length can be measurable. So absent any form of calendar or recurring periodic cycle, how do I get the same concept that time is measurable, can be quantized or sliced up or marked off so it can counted or quantified (whatever you want to call it) and assigned a numerical value, and this value will be the same for any other period of time of the same duration? Length I can see and touch and feel and store and compare between the past and the future. I can not do that with time.


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Atmospheric Circulation of Tide-Locked Exoplanets

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Atmospheric Circulation of Tide-Locked Exoplanets

With better data, astronomers are beginning to enter an era where simulations of conditions on far-off exoplanets are possible, improving understanding of where life might exist in the universe.

Exoplanetary Atmospheres: Key Insights, Challenges, and Prospects

As telescopes have gotten more powerful, astronomers have begun peering into the atmospheres of planets outside of the solar system.

Exoplanet Atmospheres

To help answer the question “Are we alone?” scientists are studying the atmospheres of planets orbiting other stars.


Tidally locked exoplanets may be more common than previously thought

Many exoplanets to be found by coming high-powered telescopes will probably be tidally locked -- with one side permanently facing their host star -- according to new research by astronomer Rory Barnes of the University of Washington.

Barnes, a UW assistant professor of astronomy and astrobiology, arrived at the finding by questioning the long-held assumption that only those stars that are much smaller and dimmer than the sun could host orbiting planets that were in synchronous orbit, or tidally locked, as the moon is with Earth. His paper, "Tidal Locking of Habitable Exoplanets," has been accepted for publication by the journal Meccanica Celeste e Astronomia Dinamica.

Tidal locking results when there is no side-to-side momentum between a body in space and its gravitational partner and they become fixed in their embrace. Tidally locked bodies such as Earth and moon are in synchronous rotation, meaning that each takes exactly as long to rotate around its own axis as it does to revolve around its host star or gravitational partner. The moon takes 27 days to rotate once on its axis, and 27 days to orbit Earth once.

The moon is thought to have been created by a Mars-sized celestial body slamming into the young Earth at an angle that set the world spinning initially with approximately 12-hour days.

"The possibility of tidal locking is an old idea, but nobody had ever gone through it systematically," said Barnes, who is affiliated with the UW-based Virtual Planetary Laboratory.

In the past, he said, researchers tended to use that 12-hour estimation of Earth's rotation period to model exoplanet behavior, asking, for example, how long an Earthlike exoplanet with a similar orbital spin might take to become tidally locked.

"What I did was say, maybe there are other possibilities -- you could have slower or faster initial rotation periods," Barnes said. "You could have planets larger than Earth, or planets with eccentric orbits -- so by exploring that larger parameter space, you find that in fact the old ideas were very limited, there was just one outcome there."

"Planetary formation models, however, suggest the initial rotation of a planet could be much larger than several hours, perhaps even several weeks," Barnes said. "And so when you explore that range, what you find is that there's a possibility for a lot more exoplanets to be tidally locked. For example, if Earth formed with no moon and with an initial 'day' that was four days long, one model predicts Earth would be tidally locked to the sun by now."

Barnes writes: "These results suggest that the process of tidal locking is a major factor in the evolution of most of the potentially habitable exoplanets to be discovered in the near future."

Being tidally locked was once thought to lead to such extremes of climate as to eliminate any possibility of life, but astronomers have since reasoned that the presence of an atmosphere with winds blowing across a planet's surface could mitigate these effects and allow for moderate climates and life.

Barnes said he also considered the planets that will likely be discovered by NASA's next planet-hunting satellite, the Transiting Exoplanet Survey Satellite or TESS, and found that every potentially habitable planet it will detect will likely be tidally locked.

Even if astronomers discover the long-sought Earth "twin" orbiting a virtual twin of the sun, that world may be tidally locked.

"I think the biggest implication going forward," Barnes said, "is that as we search for life on any exoplanets we need to know if a planet is tidally locked or not."


Earth-like planets around small stars likely have protective magnetic fields, aiding chance for life

Earth-like planets orbiting close to small stars probably have magnetic fields that protect them from stellar radiation and help maintain surface conditions that could be conducive to life, according to research from astronomers at the University of Washington.

A planet's magnetic field emanates from its core and is thought to deflect the charged particles of the stellar wind, protecting the atmosphere from being lost to space. Magnetic fields, born from the cooling of a planet's interior, could also protect life on the surface from harmful radiation, as Earth's magnetic field protects us.

Low-mass stars are among the most common in the universe. Planets orbiting near such stars are easier for astronomers to target for study because when they transit, or pass in front of, their host star, they block a larger fraction of the light than if they transited a more massive star. But because such a star is small and dim, its habitable zone -- where an orbiting planet gets the heat necessary to maintain life-friendly liquid water on the surface -- also lies relatively close in.

And a planet so close to its star is subject to the star's powerful gravitational pull, which could cause it to become tidally locked, with the same side forever facing its host star, as the moon is with Earth. That same gravitational tug from the star also creates tidally generated heat inside the planet, or tidal heating. Tidal heating is responsible for driving the most volcanically active body in our solar system, Jupiter's moon Io.

In a paper published Sept. 22 in the journal Astrobiologia, lead author Peter Driscoll sought to determine the fate of such worlds across time: "The question I wanted to ask is, around these small stars, where people are going to look for planets, are these planets going to be roasted by gravitational tides?" He was curious, too, about the effect of tidal heating on magnetic fields across long periods of time.

The research combined models of orbital interactions and heating by Rory Barnes, assistant professor of astronomy, with those of thermal evolution of planetary interiors done by Driscoll, who began this work as a UW postdoctoral fellow and is now a geophysicist at the Carnegie Institution for Science in Washington, D.C.

Their simulations ranged from one stellar mass -- stars the size of our sun -- down to about one-tenth of that size. By merging their models, they were able, Barnes said, "to produce a more realistic picture of what is happening inside these planets."

Barnes said there has been a general feeling in the astronomical community that tidally locked planets are unlikely to have protective magnetic fields "and therefore are completely at the mercy of their star." This research suggests that assumption false.

Far from being harmful to a planet's magnetic field, tidal heating can actually help it along -- and in doing so also help the chance for habitability.

This is because of the somewhat counterintuitive fact that the more tidal heating a planetary mantle experiences, the better it is at dissipating its heat, thereby cooling the core, which in turn helps create the magnetic field.

Barnes said that in computer simulations they were able to generate magnetic fields for the lifetimes of these planets, in most cases. "I was excited to see that tidal heating can actually save a planet in the sense that it allows cooling of the core. That's the dominant way to form magnetic fields."

And since small or low mass stars are particularly active early in their lives -- for the first few billion years or so -- "magnetic fields can exist precisely when life needs them the most."

Driscoll and Barnes also found through orbital calculations that the tidal heating process is more extreme for planets in the habitable zone around very small stars, or those less than half the mass of the sun.

For planets in eccentric, or noncircular orbits around such low mass stars, they found that these orbits tend to become more circular during the time of extreme tidal heating. Once that circularization takes place, the planet stops experiencing any tidal heating at all. The research was done through the Virtual Planetary Laboratory, a UW-based interdisciplinary research group funded through the NASA Astrobiology Institute. "These preliminary results are promising, but we still don't know how they would change for a planet like Venus, where slow planetary cooling is already hindering magnetic field generation," Driscoll said. "In the future, exoplanetary magnetic fields could be observable, so we expect there to be a growing interest in this field going forward."


An alien planet

So what's the deal with this Earth-sized planet? Proxima b is "one of the most interesting planets known in the solar neighborhood," Alejandro Suarez Mascareño, the lead author on this study, said in the same statement.

This strange alien planet orbits Proxima Centauri, the closest star to our sun. Because the planet orbits right in the middle of its star's habitable zone, it's possible that liquid water &mdash and potentially even life &mdash could exist there. Because of its Earth-like mass, scientists believe that, not only could liquid water exist on Proxima b, it could also be a rocky, terrestrial planet similar to Earth.

But Proxima b orbits around a star that, while close to our solar system, is also much dimmer, and much less massive than our sun. Researchers think that the exoplanet is tidally locked and in synchronous rotation with its star, meaning that one side is always facing the star and one is always facing away: a light side and a dark side.

In addition, it's unclear if, Proxima b has an atmosphere. The planet lies very close to its star, completing one orbit every 11 Earth days. So, some researchers think that radiation coming from Proxima Centauri might have stripped away Proxima b's air, making it impossible for the alien planet's surface to hold onto liquid water. As scientists continue to study this system with new and better technology, we will be able to better understand what it's really like on Proxima b.

This new study was published May 26 to the preprint server arXiv and accepted to the journal Astronomy & Astrophysics.

Editor's Note: A previous version of this article stated that researchers had pinpointed Proxima b's mass. Instead, they changed the minimum possible mass for the alien planet.

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FYI. Proxima b has been in the news a number of times. Here is a statement indicating the host star likely produces 400x more flares on the planet than our Sun does on Earth. ESPRESSO confirms the presence of an Earth around the nearest star, "Although Proxima b is about 20 times closer to its star than the Earth is to the Sun, it receives comparable energy, so that its surface temperature could mean that water (if there is any) is in liquid form in places and might, therefore, harbour life. Having said that, although Proxima b is an ideal candidate for biomarker research, there is still a long way to go before we can suggest that life has been able to develop on its surface. In fact, the Proxima star is an active red dwarf that bombards its planet with X rays, receiving about 400 times more than the Earth. "Is there an atmosphere that protects the planet from these deadly rays?" says Christophe Lovis, a researcher in UNIGE's Astronomy Department and responsible for ESPRESSO's scientific performance and data processing. "And if this atmosphere exists, does it contain the chemical elements that promote the development of life (oxygen, for example)? How long have these favourable conditions existed? We're going to tackle all these questions, especially with the help of future instruments like the RISTRETTO spectrometer, which we're going to build specially to detect the light emitted by Proxima b, and HIRES, which will be installed on the future ELT 39 m giant telescope that the European Southern Observatory (ESO) is building in Chile."

http://exoplanet.eu/catalog/proxima_centauri_b/ shows the surface temperature is 216K, -57C. Very cold :)

Oxygen in the atmosphere is NOT needed to promote life. The Earth did not have oxygen in its atmosphere until about 1.5 billion years AFTER life got started. Life did just fine with a CO2 atmosphere for over a billion years.

In fact, biologists refer to the development of plants as "The Oxygen Catastrophe" These new organisms called "plants gave off a poison gas call oxygen that killed most (yes most) existing life. We descended from those few who could tolerate this new poison. Later animals evolved to make use of this very reactive gas but O2 came later and life had to adapt.

A planet does NOT need a protective atmosphere for life. Life can live 100 feet underground in aquafers ad use chemical energy. It wil not be as energetic are we are but still life.

My guess is that almost all life in the universe is anaerobic bacteria that lives underground.

Oxygen in the atmosphere is NOT needed to promote life. The Earth did not have oxygen in its atmosphere until about 1.5 billion years AFTER life got started. Life did just fine with a CO2 atmosphere for over a billion years.

In fact, biologists refer to the development of plants as "The Oxygen Catastrophe" These new organisms called "plants gave off a poison gas call oxygen that killed most (yes most) existing life. We descended from those few who could tolerate this new poison. Later animals evolved to make use of this very reactive gas but O2 came later and life had to adapt.

A planet does NOT need a protective atmosphere for life. Life can live 100 feet underground in aquafers ad use chemical energy. It wil not be as energetic are we are but still life.

My guess is that almost all life in the universe is anaerobic bacteria that lives underground.


Thought Experiment: Habitable Moon Around a Gas Giant

This year I hope to write a few thought experiments, and from these come up with plausible science fiction stories. I’ll start with one I’ve been thinking about for awhile: habitable moons.

First off, the orbit of the moon is absolutely critical. It cannot be too close to the gas giant, because of the gravity stresses from the gas giant will the moon to become more of an ellipsoid, the internal stresses from the planet’s gravity causing heavily volcanic regions. The moon, Io, that orbits close to Jupiter is an excellent example of this. Because of its close proximity, the effects of gravity has squashed it into an ellipsoid, and the internal stresses from gravity has caused over four hundred volcanic regions to form across its surface. This renders it inhabitable. Another important point to consider is that the orbital period for the moon to remain in a stable orbit needs to be 40 to 65 days or less, according to simulations by scientists, if the gas giant or massive planet is within 1 astronomical unit from the host star. (1 AU equals the distance from our sun to our Earth.) Also important is that the moon needs to be well outside the Roche limit the Roche limit is how close an object can be before tidal forces from the planet or star tears the object apart.

Another problem one may encounter is the albedo of the gas giant may reflect even more sunlight upon the moon. In addition to the planet’s thermal heating, which all planet’s release some heat to space over time, these two effects plus the effects from gravity provide additional thermal heating to the moon. This may cause a runaway greenhouse effect, which will also make the moon relatively inhabitable.

What else can go wrong? Space radiation. Three sources of space radiation bombard the moon, and any planetary body without an adequate magnetosphere: stellar wind, cosmic radiation, and in the case of moons, particles trapped within the host planet’s magnetosphere. If a moon (or a planet for that matter) is to be habitable, it needs protection from the massive amounts of space radiation that may barrage it. Over time, space radiation can strip away the atmosphere. This may be part of the reason why Mars has such a tiny atmosphere. It’s magnetic field is relatively weak, and thus it cannot provide enough protection against the solar radiation that barrages it every minute of every day of Mars’ existence.

Although moons may have their own intrinsic magnetosphere, it is unlikely to be strong enough to protect itself adequately from the intense barrage of the three sources of possible space radiation, particularly if the moon’s orbit puts it on the outer edge of the host planet’s magnetosphere. This means the third source — particles trapped within the host planet’s magnetosphere — may wreak havoc with the moon’s atmosphere and its ability to retain it over time. The moon needs to be close enough for the host planet’s magnetic field to actually protect it adequately, but it also needs an orbit far enough away from the planet to avoid the other negative effects I’ve already discussed. It’s very much a delicate balancing act to find that perfect habitable zone for moons around suitable gas giants. The good news is that for large gas giants, like Jupiter, the magnetosphere of the planet can extend up to fifty times the size of the planet itself. This provides some room for moons to orbit at a safe distance for habitability.

However, now we have a different issue magnetospheres are not a constant size over the course of the planet’s existence. As the pressure of the stellar wind decreases over time, which it can as the star grows older, the magnetosphere will increase in size. In the following study, Jorge Zuluaga and Rene Heller determined that for a Jupiter sized gas giant, it would take 4.3 million years for the moon to be safely embedded within the planet’s magnetosphere. It would take even longer for a Saturn sized gas giant with the time span increasing the smaller in size the host planet is.

What the above study shows us is that it is indeed theoretically possible for a moon to be adequately shielded by the host planet’s magnetosphere. It may take some time for the magnetosphere to increase enough to enshroud the moon, depending on the mass of the host planet, but it is theoretically possible.

So now that we know a habitable moon can exist. What would it be like? First off, the moon would be tidal locked, as in one side would face the host planet. The host planet would eclipse the host star on a regular basis. Because of this, days could last for half of an orbital period, where the orbital period can range from 10 to 60 days depending on the above discussed factors. In order for the moon to have seasons, it would need some tilt to its axis of rotation, but that’s wouldn’t be the only effect to its seasons: how elliptical the host planet’s orbit is around the host star can also influence the seasons. Estimates from other studies, show that a tidal locked moon may end up with a fairly moderate climate, and have a fairly stable axial tilt due to its being tidally locked. Although the dark side may be somewhat colder than the side facing the planet, if there is suitable carbon dioxide amounts in the atmosphere, then this may cause enough of a warming effect for liquid water to exist on the dark side as well.

Another important aspect to the moon would be plate tectonics, which may be caused by heating within the moon itself — left over form its formation days — and tidal effects from the host planet. Again, there’s a delicate balance between too much tidal effects, which would cause the surface to be heavily chaotic and volcanic like Jupiter’s Io, and if the moon is too far away, and the effects aren’t enough to sustain geologically activity.

The moon’s atmosphere also has to be dense enough to support life, and it needs protection from space radiation in order to retain its atmosphere. geological activity within the moon can aid in replenishing the atmosphere as well. Also, the moon itself needs to be dense enough to hold onto important atmospheric gases like nitrogen, oxygen, and water vapor, so the moon’s own gravity needs to keep the escape velocity for gases high enough to avoid losing important gases necessary for life. In the above articles, scientists have determined that if a moon has the density of Mars, it needs to have at least 7% of Earth’s mass in order to retain an atmosphere for several billion years, necessary for life to evolve on the moon.

All these factors need to be examined and assessed when a writer is world-building a habitable moon around a gas giant. It takes a little bit of research and a small amount of math, and presto! You can create an possible habitable moon around a fairly large planet.

What is even more interesting is because of the above features, some interesting societies may develop. For instance, would the biorhythms of the alien life on this moon be linked to the orbital period of the moon? Similar to how there is some link with a lunar cycle on earth to biorhythms of some animals? What significance will the planet play in the developing societies myths and religions? What significance will the dark side and the light side of the moon play in such a society? Especially since the tidally locked side will experience more eclipses with the planet, which the dark side will rarely if ever see the planet at all. This may cause some interesting myths, religions, and practices to develop amongst a sentient society. There’s a lot to examine here, and I think, in time, I may come back to this idea through short stories or novellas. In the meantime, I hope the above helps other writers develop tools to help them build more diverse and interesting worlds in their fiction. The science may seem daunting, but if you break it into smaller chunks, you can tackle each problem one at a time, and build up your world from there. It’ll not only make your world fairly accurate science-wise, but may lead you to discover interesting effects that can influence the development of your societies, providing more inspiration to further stories.


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