¿Qué condiciones hacen plausible esta luna habitable?

En esta respuesta, intentaré abordar dos preocupaciones principales que afectan la habitabilidad de su luna:

• retención de la atmósfera
• absorción de la radiación solar

Sin duda, tendrá que modificar los parámetros de su planeta para obtener los patrones climáticos deseados. Sin embargo, estos dos factores parecen más importantes con respecto a la habitabilidad.

Antes de entrar en materia, aquí hay una lista de definiciones de variables que usaré:

• $R_m$, el radio de la luna
• $M_m$, la masa de la luna
• $L_{s}$, la luminosidad media combinada del sistema de tres soles
• $D$, la distancia del sistema planeta-luna al sistema de tres soles
• $G\approx 6.7\cdot 10^{-11} \space\text{Nm}^2/\text{kg}^2$, la constante gravitatoria
• $k\approx 1.4\cdot 10^{-23}\space \text{J}/\text{K}$, la constante de Boltzmann

¡Esta bien vamos! (Nota: es probable que haya cometido algún error de cálculo en algún lugar a continuación. Espero que no afecte demasiado mis estimaciones, y todavía están dentro del orden correcto de magnitud. ¡Puntos de bonificación si encuentra un error!)

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retención de la atmósfera

No importa cuán masivo o frío sea su planeta, siempre perderá continuamente parte de su atmósfera (siempre que esta atmósfera sea gaseosa). Esto se debe a que no todas las moléculas de gas atmosférico tienen la misma velocidad: sus velocidades son aleatorias, siguiendo la distribución de Maxwell-Boltzmann . En todo momento, algunas de las moléculas se moverán lo suficientemente rápido como para escapar. La pregunta es: ¿cuánto tiempo quieres que dure tu atmósfera?

La velocidad de escape de tu luna es aproximadamente igual a

$$v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2GM_m}{R_m}}$$ y la velocidad cuadrática media de las moléculas de gas en un gas de temperatura$T$es igual a $$v_{\text{rms}} = \sqrt{\frac{3kT}{2m}}$$ dónde$m$es la masa de la molécula de gas en cuestión. Seguro que no quieres$v_{\text{rms}}>v_{\text{esc}}$, o toda tu atmósfera desaparecerá en un instante. Entonces, al menos, necesitas

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

o, para una molécula de oxígeno diatómico,

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

Para una luna del tamaño de Deimos (que seguramente es mucho más pequeña que la tuya) y con una temperatura superficial promedio igual a la de la Tierra, la LHS de esta desigualdad es aproximadamente$8.3\cdot 10^{8}$. Eso está muy por debajo de este límite superior rudimentario, hasta ahora todo bien.

Seamos un poco más quisquillosos. ¿Recuerdan lo que dije antes acerca de cómo parte de la atmósfera de su planeta siempre estará escapando?

Suponiendo que la profundidad de la atmósfera es insignificantemente pequeña en comparación con el radio del planeta, tenemos que el área superficial de la atmósfera expuesta al espacio es aproximadamente$4\pi R_m^2$. De acuerdo con la distribución de Maxwell-Boltzmann, si$T$es la temperatura media, entonces la proporción que ha alcanzado la velocidad de escape en un momento dado es igual a

$$\begin{align}\alpha_{\text{esc}} &= 2\sqrt{2\pi}\int_{\sqrt{GM_m m/kTR_m}}^\infty v^2 e^{-v^2}dv\\ &= \frac{2\xi e^{-\xi^2}+\sqrt{\pi}\text{erfc}(\xi)}{4}\\ &\sim \frac{\xi e^{-\xi^2}}{2} \end{align}$$ para valores razonablemente pequeños de$\xi$, dónde $$\xi=\sqrt{\frac{GM_m m}{kT}}$$

Como estimación, usemos la masa y el radio de la Luna y la temperatura de la superficie de la Tierra (y consideremos las moléculas de oxígeno diatómicas). Esto arroja valores aproximados de

$$\xi\approx 18.5$$ $$\alpha\approx 2.13\cdot 10^{-148}$$ Yowza, ese es un pequeño valor de$\alpha$! El volumen de atmósfera que escaparía en el transcurso de$t$segundos sería aproximadamente igual a $$4\pi\alpha R_m^2 v_{\text{esc}} t$$ Pero no voy a seguir adelante con los cálculos. El valor de$\alpha$es tan microscópicamente pequeño que básicamente abrumará a los otros factores en la expresión anterior. ¡Parece que la atmósfera de tu planeta es probablemente segura!

Si realmente quiere asegurarse de que su atmósfera sea segura, le recomiendo las siguientes precauciones adicionales:

• Haz que tu planeta sea agradable y denso. esto mantiene$R_m$baja mientras aumenta el valor de$M_m$, que hará$\alpha$aún más diminuto.
• Dale a tu luna y al planeta que orbita un fuerte campo magnético para desviar los rayos cósmicos que destruyen la atmósfera.

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Absorción de la radiación solar

¡Ahora la parte fácil! Esto no estará tan involucrado como lo anterior.

Afirmo que cualquier punto dado en la superficie de tu luna gasta alrededor$1/4$del tiempo a la luz del día y$3/4$del tiempo en la oscuridad, bajo los siguientes supuestos:

• sin bloqueo de marea, como se indica en la pregunta
• la órbita de la luna es independiente de la posición del planeta que orbita alrededor del sol
• el gigante gaseoso es masivo en comparación con la luna
• las tres estrellas en este sistema estelar ternario están relativamente cerca unas de otras y muy lejos del planeta y su luna

¿Por qué? Bueno, sobre$1/2$del tiempo, la luna está en el lado opuesto del planeta, por lo que no recibe luz. Cuando está en el lado iluminado del planeta, sólo$1/2$de la superficie de la luna está iluminada en un momento dado. Por lo tanto, para cualquier punto en la superficie de la luna (excepto los polos), está iluminado sobre$(1/2)(1/2)=1/4$del tiempo.

Esto significa que, para mantener un clima y una temperatura similares a los de la Tierra, algo debe compensar esta mayor duración de la noche. Aquí hay algunas sugerencias:

• Mayor cantidad de radiación solar. Hay tres estrellas en el sistema, después de todo.
• Mayor luminosidad$L_s$de las estrellas
• menor distancia$D$de las tres estrellas. Sin embargo, no tendría que ser mucho más pequeño, ya que la intensidad a distancia$D$es proporcional a$1/D^2$.
• Menor albedo , para evitar reflejar la energía solar.
• Gran cantidad de gases de efecto invernadero para ayudar a atrapar la energía de la radiación solar.

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Aquí hay algunas otras especulaciones no sequitur sobre cómo podría ser tu luna:

• Mencionaste que no querías que hubiera ningún bloqueo de marea, pero si hay una cantidad significativa de agua líquida en la superficie del planeta, la atracción gravitacional del gigante gaseoso ejercerá una fuerza significativa sobre él. Como mínimo, esto podría causar una subida y bajada muy extrema de las mareas (exacerbadas por la baja gravedad del planeta), creando vastas zonas de mareas en la superficie del planeta.
• Como se mencionó anteriormente, el ciclo de día y noche en la luna será extraño, nada como el ciclo regular de medio día y media noche de la Tierra. Habrá un largo tramo de oscuridad (cuando la luna esté detrás del planeta), seguido de una serie de ciclos de día y noche cuya duración depende de la velocidad de rotación de la luna, y luego un regreso a la oscuridad. Me pregunto cómo afectará esto a los ritmos circadianos de los animales y al fotoperiodismo de las plantas en la superficie.
• Dado que la luna pasa una cantidad significativa de tiempo en el lado oscuro del planeta, la congelación/descongelación será común. Como las temperaturas subirán y bajarán rápidamente a medida que la luna entra y sale de la sombra del planeta, puede esperar un clima loco (piense en ciclones masivos) como resultado.

Si planea escribir historias ambientadas en planetas o lunas que son más o menos habitables para los humanos y otras formas de vida multicelulares avanzadas con una bioquímica similar a la de la Tierra, lo que debe hacer es encontrar una copia de Stephen H. Dole, Habitable Planets . para el hombre (1964, 2007).

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

Es un hecho bien conocido que algunas formas de vida de la Tierra prosperan en entornos donde los humanos morirían instantáneamente si fueran teletransportados, como millas de altura en el aire, millas de profundidad en el océano o millas bajo tierra en la roca. Y los humanos también morirían rápidamente si fueran teletransportados a la mayor parte de la superficie del planeta Tierra, como la superficie del océano, la superficie de los desiertos, la superficie de las capas de hielo, etc., a pesar de que algunas formas de vida terrestres prosperan en esos lugares.

Entonces, la mayoría de las discusiones científicas sobre la habitabilidad de otros mundos discuten su habitabilidad para formas de vida similares a cualquier tipo de vida en la Tierra en general, no para grandes animales que respiran oxígeno como los humanos en particular. Por lo tanto, la mayoría de las discusiones científicas enumeran como habitables muchos mundos posibles que serían instantáneamente fatales para los humanos desprotegidos teletransportados allí.

Por eso Habitable Planets for Man es especialmente útil para los escritores de ciencia ficción.

Dole describe la gama de tipos de estrellas adecuadas para tener planetas habitables en órbita a su alrededor. Dado que un planeta tarda miles de millones de años en volverse habitable para los humanos, la estrella debe permanecer en la secuencia principal durante miles de millones de años. Afortunadamente, las estrellas tipo G y tipo M permanecerán en la secuencia principal el tiempo suficiente. Existe una considerable incertidumbre científica sobre si las estrellas enanas rojas de clase M pueden tener planetas habitables, por lo que probablemente querrá que su gigante gaseoso y su luna habitable orbiten alrededor de la estrella tipo G.

Aquí hay un enlace al artículo de Wikipedia sobre múltiples sistemas estelares.

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

Y tenga en cuenta especialmente la estructura jerárquica de múltiples sistemas estelares que son lo suficientemente viejos como para tener planetas habitables.

https://en.wikipedia.org/wiki/Star_system#Hierarchical_systems[3]

Por lo tanto, es probable que su sistema estelar triple consista en un par de estrellas y una sola estrella, y la distancia entre el par de estrellas y la estrella única probablemente sea varias veces la distancia entre las estrellas del par, posiblemente decenas, cientos. , o incluso miles de veces más lejos.

Tu planeta gigante y tu luna habitable podrían orbitar en una órbita tipo S alrededor de una de las estrellas, o en una órbita circumbinaria o tipo P alrededor de dos de las estrellas. Pero debido a la estructura jerárquica de los múltiples sistemas estelares, parece muy poco probable que un planeta que orbite alrededor de las tres estrellas pueda orbitar lo suficientemente cerca de cualquiera de las estrellas como para tener temperaturas habitables.

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

Se han descubierto ejemplos de exoplanetas en órbitas tipo S y otros en órbitas tipo P.

Si su planeta gigante y su luna habitable orbitan alrededor de una estrella en una órbita de tipo S, es más probable que sea una estrella de clase G que una estrella de clase M, aunque una luna fijada por mareas a su planeta en lugar de a su estrella evitaría algunos de los problemas con tener un planeta habitable de una enana roja de clase M. Dices que no quieres que tu luna esté fijada por mareas a su planeta, lo que será un problema.

Si su planeta gigante y su luna habitable orbitan alrededor de dos estrellas en una órbita circumbinaria o de tipo P, es más probable que sean la estrella de clase G y una enana roja de clase M en lugar de dos enanas rojas de clase M.

Debido a la estructura jerárquica de un sistema estelar triple, solo la estrella o las dos estrellas que orbitan el planeta y la luna habitable deben estar lo suficientemente cerca como para tener discos visibles en el cielo de la luna. Las otras dos estrellas o una estrella deberían aparecer como dos puntos o un punto de luz en el cielo de la luna, aunque probablemente extremadamente brillantes.

Escritores de ciencia ficción y científicos han considerado la posibilidad de vida en exolunas del tamaño de planetas que orbitan exoplanetas gigantes.

https://en.wikipedia.org/wiki/Habitability_of_natural_satellites#:~:text=The%20habitability%20of%20natural%20satellites,have%20environments%20hospital%20to%20life.&text=Tidal%20forces%20are%20like%20to ,%20habitabilidad%20potencial%20de%20satélites%20naturales.[5]

Heller, René; Rory Barnes (2012). "Habitabilidad de la luna restringida por la iluminación y el calentamiento de las mareas" Astrobiología. 13 (1): 18–46 es una discusión científica importante sobre la habitabilidad de las exolunas dignas de estudio.

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

Otro artículo importante es:

Heller, René (septiembre de 2013). "Protección magnética de exolunas más allá del borde habitable circunplanetario". Las cartas del diario astrofísico. 776 (2): L33.

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

También puede consultar mis respuestas a preguntas como:

https://worldbuilding.stackexchange.com/questions/175614/temperatures-on-an-earth-with-a-week-long-rotational-period/175719#175719[8]

https://worldbuilding.stackexchange.com/questions/174597/is-there-a-plausible-way-to-have-a-gas-giant-with-two-or-more-earth-to-mars-size/ 174624#174624[9]

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

Ya que cito de algunas de las fuentes que mencioné anteriormente.