Astronomie

Quelle est la variabilité maximale théorique qu'une géante rouge pulsante peut avoir pour qu'une planète habitable puisse rester habitable pendant de longues périodes ?

Quelle est la variabilité maximale théorique qu'une géante rouge pulsante peut avoir pour qu'une planète habitable puisse rester habitable pendant de longues périodes ?

J'étais en train de lire sur les géantes rouges et je suis tombé sur cette déclaration :

Certaines recherches suggèrent que, lors de l'évolution d'une étoile de 1 M☉ le long de la branche de la géante rouge, elle pourrait abriter une zone habitable pendant plusieurs milliards d'années à 2 unités astronomiques (UA) jusqu'à environ 100 millions d'années à 9 UA, donnant peut-être assez de temps pour que la vie se développe sur un monde convenable.

Les géantes rouges ont des luminosités de $sim 3000 L_odot$. Selon la loi du carré inverse, la zone habitable doit être $1^{+1,5}_{-0,2} cdot sqrt{3000} approx 54,772^{+82,158}_{-10,954} ext{AU}$ loin de l'étoile. Si l'étoile présente une variabilité, sa luminosité peut changer d'environ/plus $50\%$. Cela fera varier la zone habitable d'un facteur de $2sqrt{0.5}=sqrt2 environ 1.414$. Existe-t-il donc des orbites stables (en termes d'habitabilité) pour les planètes en orbite autour d'une telle étoile géante rouge, en supposant que l'échelle de temps de variabilité se situe dans la période orbitale d'une telle planète ?


Une planète peut-elle avoir un jour toujours plus long que la nuit ?

Sur Terre, la moitié de la planète est illuminée à tout moment (ignorons les éclipses). L'inclinaison axiale permet de varier la durée du jour, mais au cours d'une année, chaque emplacement est éclairé la moitié du temps.

C'est facile de faire une planète où, sur un an, tout est illuminé plus de la moitié du temps. Utilisez une étoile binaire.

Mais existe-t-il un système solaire naturel et stable qui satisfasse à l'exigence plus restrictive selon laquelle la planète est toujours plus qu'à moitié illuminé ?

Dans le cas général, si elle orbite autour d'une étoile d'un binaire, il y aura un point de son orbite où l'autre étoile passera derrière celle sur laquelle la planète orbite. S'il est en orbite autour des deux étoiles, il y aura également un point où les trois sont alignés. Et notez que, même si l'orbite de la planète est inclinée par rapport au plan contenant les orbites des étoiles, une situation colinéaire est toujours possible. à moins d'une résonance qui l'empêche.

Notez que je ne parle que de la géométrie du système solaire. La couverture nuageuse signifie que vous ne pouvez pas voir le soleil tout le temps (bien que la lumière passe à travers). La réfraction et la diffraction atmosphériques étendent la lumière visible du côté «nuit», ce qui devient extrême avec une atmosphère dense comme Vénus. Je le sais, donc je ne demande pas de réponses impliquant cela. Toutes les solutions doivent fonctionner pour un monde sous vide. Mon but est d'explorer la géométrie des systèmes solaires.

La planète doit satisfaire tous les deux de « À tout moment, > 50 % de la surface est éclairée » et « À n'importe quel endroit, éclairée > 50 % de l'année. »

Échelle approximative de l'effet : Disons que "plus de la moitié" signifie au moins 195/360 de la surface (c'est-à-dire une heure supplémentaire dans un jour terrestre). Il doit également être une lumière fournissant un éclairage significatif, pas seulement visible techniquement. Disons que ladite zone est éclairée à un niveau d'au moins 1/40 de (devrait-elle être "l'éclairage le plus brillant qu'elle reçoit" ou "l'éclairage le plus brillant que la Terre reçoit" ?).

Avant de poser cette question, j'ai pensé à une planète troyenne d'une étoile binaire. J'ai alors vu un chiffre d'un rapport de masse minimum de 25 pour deux corps pour générer des points L4/L5 stables. Avec les étoiles, la luminosité est à peu près proportionnelle à la masse à la puissance 3,5. Cela signifie qu'une étoile doit être au moins 78 000 fois plus brillante que l'autre et que la planète est à égale distance d'elles. Étant donné que la pleine lune sur Terre correspond à environ 1/400000 de la pleine lumière du soleil, ce n'est guère mieux, loin d'être suffisant pour compter comme "jour". C'est pourquoi j'ai posé la question.


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L'American Astronomical Society (AAS), fondée en 1899 et basée à Washington, DC, est la principale organisation d'astronomes professionnels en Amérique du Nord. Ses membres d'environ 7 000 personnes comprennent également des physiciens, des mathématiciens, des géologues, des ingénieurs et d'autres dont les intérêts de recherche et d'enseignement se situent dans le large éventail de sujets comprenant l'astronomie contemporaine. La mission de l'AAS est d'améliorer et de partager la compréhension scientifique de l'univers par l'humanité.

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La source

couche de 10 m au-dessus de l'eau et

Couche de 1 km sur les continents même avec des atmosphères beaucoup plus minces et des océans plus petits que la Terre. Cela signifie que la répartition des continents du côté de la nuit pourrait modifier le niveau de la mer du côté du jour, mais il est peu probable qu'il le laisse complètement desséché, sauf sur les mondes les plus secs. Le jour, un effet de rétroaction de l'augmentation de la couverture nuageuse pour l'augmentation insolation (intensité lumineuse de l'étoile à la surface) pourrait stabiliser le climat, augmentant à la fois la surface habitable à la surface et la taille de l'étoile HZ.

Yang et al. 2014

Pour un monde parfaitement bloqué par les marées, l'étoile resterait immobile dans le ciel. Les ombres seraient plus ou moins permanentes, et même dans les régions tempérées ou assez chaudes, il peut y avoir des vallées gelées qui ne reçoivent jamais la lumière directe du soleil. Les plantes peuvent subir une concurrence féroce pour accéder à la lumière du soleil, ce qui peut altérer le type d'écosystèmes forestiers qui pourraient se développer. Le sous-bois peut être en difficulté s'il est plus facile pour la canopée des arbres de monopoliser complètement la lumière.


Moteur spatial

Mais il est également possible que de légères imperfections dans l'orbite de la planète fassent apparaître l'étoile légèrement décalée dans le ciel. L'obliquité fera osciller l'étoile vers le nord et le sud au cours de l'année, et l'excentricité la fera osciller vers l'est et l'ouest. Cela peut entraîner le croisement de bandes de terre entre le côté jour et le côté nuit, et d'autres régions connaîtront une sorte de saisonnalité étrange en raison du soleil devenant plus haut et plus bas dans le ciel. Les deux effets combinés pourraient même faire en sorte que « l'été » tourne autour du périmètre du côté jour, avec « l'hiver » de l'autre côté de la planète. Même une planète avec de très fortes forces de marée est susceptible de développer ces imperfections orbitales s'il y a d'autres planètes dans le système exerçant une influence gravitationnelle. Mais s'ils deviennent trop gros, le réchauffement des marées peut produire une activité volcanique extrême qui empêche la vie de se développer à la surface.

Libération de la Lune du point de vue de la Terre. Tomruen, Wikimédia

Mais le verrouillage des marées ne conduit pas inévitablement à une rotation synchrone de 1:1. Les planètes avec des atmosphères épaisses pourraient subir un chauffage inégal qui entraînerait des effets de marée modifiant la durée du jour. Une planète avec une certaine excentricité (

0,15-0,3) peut également s'installer dans un Résonance spin-orbite 3:2 comme Mercure dans notre système solaire, effectuant 3 révolutions autour de son axe toutes les 2 orbites autour de l'étoile, ce qui signifie qu'un jour solaire dure 2 périodes orbitales. Pour un monde en orbite dans la HZ d'une naine rouge de masse minimale, ces jours peuvent être aussi courts que 10 jours terrestres, mais les forces de marée dans la HZ sont les plus fortes pour une telle étoile, suffisamment fortes pour empêcher une telle orbite de se former ou produisant suffisamment de chaleur à l'intérieur de la planète pour induire une activité volcanique extrême. Pour un monde en orbite autour d'une étoile plus grande, les nuits seraient longues mais toujours plus courtes que les nuits saisonnières des pôles sur Terre, et avec des jours beaucoup plus lumineux. Nous pouvons facilement imaginer toute vie sur un tel monde développant un cycle de vie d'hibernation-boom comme nous le voyons dans les régions de la taïga de la Terre.

Chaque naine rouge dans l'univers aujourd'hui est encore assez jeune, et aucune ne quittera la séquence principale pendant longtemps, mais la modélisation théorique de leurs intérieurs nous donne une assez bonne idée de ce qui se passera quand elles le feront. Lorsqu'une naine rouge finit par manquer d'hydrogène, le noyau se contracte et se réchauffe, et l'étoile passe plusieurs milliards d'années en tant que nain bleu, à la fois beaucoup plus chaud et beaucoup plus lumineux qu'avant. Les étoiles d'environ 0,2 masse solaire et plus peuvent même devenir plus brillantes que notre soleil ne l'est actuellement. Pour la plupart, cela marque la fin des conditions habitables pour ce système, les planètes qui étaient dans la HZ seront cuites à sec, et pour la plupart des naines bleues, la luminosité et donc la position de la HZ change trop rapidement pour que d'autres planètes être habitable longtemps. La seule exception concerne les étoiles proches de 0,16 masse solaire, qui se stabiliseront à environ 1/3 de la luminosité du soleil actuel, puis y resteront pendant 5 milliards d'années. Cela signifie que les planètes qui avaient été froides, gelées et mortes pendant la durée de vie de la séquence principale de près de 3 000 milliards d'années de l'étoile pourraient dégeler et former la vie, et que la vie pourrait vraisemblablement se développer jusqu'à l'intelligence, le tout dans ce « court » Épisode #8221 à la fin de la vie de la star.

Les nombres sont des températures de surface en kelvin. Yang et al. 2017

0,01 UA) qu'une planète pourrait rester à l'intérieur jusqu'à 8 milliards d'années.

Cependant, nous devons nous demander comment une planète potentiellement habitable se retrouverait dans une telle position. S'il s'y était formé initialement, il aurait été cuit sous une lumière intense pendant des milliards d'années (ou, dans le cas d'étoiles plus grandes qui forment également des naines blanches, avalé pendant la phase de géante rouge). Une planète pourrait migrer vers l'intérieur d'une position sûre dans le système solaire externe vers la zone habitable, mais ce faisant, elle devrait traverser une période de forte excentricité, au cours de laquelle elle subirait un réchauffement de marée intense qui ferait bouillir tous les océans ou l'atmosphère. et potentiellement même faire fondre la surface.

Peut-être qu'un tel monde pourrait plus tard être reconstitué en eau par des impacts de comètes ultérieurs, ou qu'une nouvelle planète pourrait se former sur place après un événement cataclysmique. Mais dans des orbites aussi proches, même une infime quantité d'excentricité orbitale peut provoquer un échauffement de marée intense. A la première période d'habitabilité, 5 milliards d'années après la formation des naines blanches, une excentricité de plus de 0,0001 serait suffisante pour provoquer un effet de serre incontrôlable pour les planètes de la HZ, les rendant inhabitables. Vénus, la planète la moins excentrique de notre système solaire, a une excentricité de 0,0068. Dans un petit système étroit, toutes les autres planètes induiraient probablement des excentricités supérieures à celle-ci, même si des forces de marée extrêmes s'efforçaient de les réduire. Il serait peut-être possible qu'une combinaison de chaleur marémotrice et de lumière réchauffe une planète en dehors de la zone habitable traditionnelle à des températures d'eau liquide, mais pour des raisons que nous explorerons dans la prochaine partie, il est moins probable que le climat soit stable à long terme. terme. Il convient également de noter que les effets de marée ont tendance à pousser les planètes en orbite proche vers l'extérieur, car notre Lune se déplace vers l'extérieur de la Terre, contrairement au mouvement vers l'intérieur de la zone habitable.


PHYSIQUE DE L'UNIVERS : COMPRENDRE LES PRINCIPES SCIENTIFIQUES

S'appuyant sur les découvertes des années 1990, la première décennie du 21e siècle a vu l'établissement d'un &ldquomodèle cosmologique standard&rdquo &LambdaCDM, incorporant de la matière noire froide, une constante cosmologique, un univers plat et des fluctuations primordiales gaussiennes dues à l'inflation. Les observations depuis 2010 ont testé ce modèle beaucoup plus rigoureusement qu'auparavant, avec de nouveaux phénomènes physiques et domaines de décalage vers le rouge et une précision de mesure considérablement améliorée. Les données CMB de WMAP, du télescope de cosmologie d'Atacama (ACT), du télescope du pôle Sud (SPT) et, en particulier, du satellite Planck ont ​​confirmé les prédictions de &LambdaCDM avec des détails exquis, y compris la longue série de pics d'oscillation acoustique imprimés par les ondes sonores primordiales, le spectre de puissance de polarisation attendu pour les conditions initiales adiabatiques qui résultent des fluctuations quantiques pendant l'inflation, et une détection d'écart-type de 40 &sigma de la lentille des fluctuations CMB par la matière noire agrégée au premier plan (Figure 1.3). Un résultat fondamental est une démonstration claire de &ldquotilt&rdquo dans le spectre de puissance à grande échelle, confirmant la prédiction inflationniste d'un petit écart par rapport aux fluctuations invariantes d'échelle &ldquogénériques.

À des décalages vers le rouge inférieurs, les mesures d'oscillation acoustique baryonique (BAO) du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ont permis des déterminations de 1 pour cent de l'échelle de distance cosmique absolue à z &asymp 0.6 et les premières déterminations précises (2-3 %) du taux d'expansion à des redshifts élevés, z &asymp 2.5. Des analyses homogènes de grands ensembles de données de supernova ont obtenu des mesures de 1 à 2% de l'échelle de distance relative sur la plage 0 < z < 0.8 et mesures de précision inférieures jusqu'à z &asymp 1.4. Le modèle &LambdaCDM reproduit ces mesures en pourcentage ou en sous-pourcentage de l'histoire de l'expansion cosmique depuis l'époque de la recombinaison jusqu'à nos jours. Le modèle prédit également l'histoire de l'agrégation de la matière noire, qui peut être mesurée avec des lentilles gravitationnelles et l'agrégation de galaxies. Ici, l'accord avec les observations est moins clair, et le niveau d'incertitudes systématiques dans les mesures est plus élevé. Il existe également une certaine tension entre les valeurs de H0 déduites des données CMB et BAO et celles déduites des mesures locales de l'échelle de distance.

Comme prévu par NWNH, les recherches directes et indirectes de matière noire ont maintenant atteint une sensibilité suffisante pour sonder l'espace des paramètres de base de larges classes de théories des particules massives à interaction faible (WIMP), telles que celles basées sur des extensions supersymétriques minimales du modèle standard de particules. la physique. Le satellite Fermi & gamma-ray a été particulièrement important car il détecte les photons dans la gamme d'énergie attendue pour les canaux d'annihilation WIMP typiques, et il a une couverture profonde et complète du ciel. Bien qu'il y ait eu des affirmations alléchantes de possibles signaux d'annihilation de la matière noire du centre galactique ou d'autres galaxies ou amas, aucun de ces signaux n'est distinct de manière convaincante des sources astrophysiques, et l'absence de signaux des galaxies naines voisines fixe des limites intéressantes à la croix d'annihilation WIMP. sections. Des expériences souterraines de détection directe ont

FIGURE 1.3 (La gauche) Le spectre de puissance des fluctuations de température mesurées par le satellite à fond diffus cosmologique Planck. Ce spectre présente un plateau plat aux grands angles (côté gauche du graphique) et une série d'oscillations imprimées par les ondes sonores primordiales, en excellent accord avec les prédictions du modèle d'inflation cosmique représentée par la courbe rouge. Les différences entre le modèle et les données, montrées dans le panneau inférieur, sont généralement plus petites que les incertitudes d'observation restantes. L'article, Planck Collaboration XIII (2016), sera publié dans Astronomie et astrophysique en 2016. (Droite) Le &ldquochirp&rdquo des ondes de gravité mesurées par les détecteurs avancés de l'interféromètre laser Gravitational Wave Observatory (LIGO) à partir d'une fusion de deux trous noirs de 30 masses solaires à une distance de 1,3 milliard d'années-lumière. Les courbes rouges et bleues montrent les mesures des détecteurs à Hanford, Washington, et Livingston, Louisiane, respectivement. Les oscillations deviennent plus rapides à mesure que les deux trous noirs perdent de l'énergie orbitale et spiralent ensemble, se terminant lorsque leurs horizons d'événements fusionnent et que le nouveau trou noir, plus massif, se réduit à la quiescence. À leur intensité maximale, ces ondes gravitationnelles étirent et compriment les bras de 4 km des détecteurs LIGO sur des distances de 4 &x 10 & moins 18 mètres, 1 000 fois plus petites que le noyau d'un atome. LA SOURCE: (La gauche) Avec l'aimable autorisation de l'ESA et de la Collaboration Planck. (Droite) Avec l'aimable autorisation de Neil Cornish, Université d'État du Montana.

a donné certains signaux revendiqués, mais aucun d'entre eux n'a encore convaincu la communauté dans son ensemble, et d'autres expériences excluent maintenant des régions importantes de l'espace des paramètres des particules supersymétriques. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a confirmé, avec la découverte spectaculaire du boson de Higgs, un pilier central du modèle standard de la physique des particules, mais il n'a pas encore montré de preuves de super-symétrie ou d'autres extensions de modèle standard qui pourraient expliquer l'obscurité matière.

L'astrophysique des neutrinos a connu des avancées majeures (et le prix Nobel de physique 2015), notamment des mesures précises de bon nombre des paramètres qui décrivent le secteur des neutrinos. Les limites supérieures de la masse des neutrinos à partir des données cosmologiques se rapprochent maintenant des limites inférieures fixées par les données d'oscillation des neutrinos. Le développement récent le plus spectaculaire en astronomie neutrino est l'expérience IceCube & rsquos détection de plusieurs dizaines de neutrinos dans la gamme d'énergie péta-électronvolt (PeV), avec des directions d'arrivée réparties sur une grande partie du ciel accessible. Ce sont les premiers neutrinos astrophysiques connus provenant de sources autres que le Soleil et la Supernova 1987A, et leur découverte ouvre la voie à de nouveaux messagers de l'univers de haute énergie.

Le développement astronomique le plus spectaculaire du siècle à ce jour est la détection d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs à une distance de 400 Mpc, lors de la première exécution scientifique de l'observatoire d'ondes gravitationnelles à interféromètre laser avancé (LIGO) (Figure 1.3). Cette découverte fait suite à des décennies de travail pour construire des instruments capables de mesurer des déplacements 10 000 fois plus petits qu'un noyau atomique, repoussant les extrêmes de l'optique quantique, de l'ingénierie mécanique et du traitement du signal. NWNH a prévu la détection des ondes gravitationnelles cette décennie en se basant sur l'amélioration de la sensibilité des expériences LIGO et de synchronisation des pulsars. Néanmoins, la détection d'un signal aussi fort si tôt dans les opérations LIGO avancées est surprenante. Cette découverte a confirmé certaines des prédictions les plus exotiques de la théorie de la relativité générale d'Einstein, et elle a démontré que 30 trous noirs de masse solaire existent et forment des systèmes binaires proches, que les fusions de trous noirs produisent des sursauts d'ondes gravitationnelles qui correspondent aux prédictions des simulations de la relativité numérique et des analyses analytiques. calculs du ringdown des restes fusionnés, et que les méthodes interférométriques mises au point par LIGO sont à la hauteur du défi de détecter les sources astrophysiques d'ondes gravitationnelles. Plus important encore pour l'avenir, cette découverte suggère fortement que les sources dans la plage de sensibilité de LIGO sont assez courantes et que les observations d'ondes gravitationnelles ouvriront rapidement une nouvelle fenêtre sur certains des phénomènes les plus énergétiques du cosmos. Les observatoires spatiaux d'ondes gravitationnelles peuvent sonder différents phénomènes dans des gammes de fréquences inaccessibles depuis le sol, et ils peuvent tester les prédictions de la relativité générale des espaces-temps des trous noirs avec une précision extrêmement élevée.

De nombreuses améliorations sont attendues au cours des 5 prochaines années, qui pourraient consolider ou remettre en cause la compréhension actuelle de la physique du cosmos. Les expériences du CMB ont pour objectif de détecter le motif de polarisation distinctement tordu induit par les ondes gravitationnelles primordiales, qui sonderait directement la physique à une époque où l'univers observable d'aujourd'hui occupait un volume plus petit qu'un pamplemousse. L'enquête en cours sur l'énergie noire (DES) et l'enquête Subaru Hyper-Suprime Camera (HSC) affineront les mesures de lentilles faibles du regroupement de la matière au niveau de 1%, comparable aux mesures actuelles de l'histoire de l'expansion. L'instrument spectroscopique à énergie noire (DESI), dont le début des observations est prévu en 2019, cartographiera la distribution tridimensionnelle de dizaines de millions de galaxies, produisant des mesures plus fines et plus détaillées de l'expansion et de la croissance de la structure au cours des 10 derniers milliards d'années. De nouvelles expériences souterraines sur la matière noire (Super-CDMS, LUX-ZEPLIN, ADMX-Gen2) devraient permettre des gains de sensibilité de l'ordre de grandeur aux candidats les plus étudiés pour la matière noire des particules. L'énergie de fonctionnement plus élevée et la luminosité accrue du LHC le rendent sensible aux espèces de particules auparavant indétectables. Une découverte convaincante de la matière noire pourrait provenir de ces expériences n'importe quel jour, ou pas du tout. IceCube continuera à construire son échantillon de neutrinos PeV, tandis que des détecteurs à échantillonnage plus dense ou à plus grande surface étendront la portée des expériences de neutrinos à

énergies inférieures et supérieures. Des analyses de plusieurs événements LIGO sont déjà en cours et des programmes coordonnés de suivi des événements électromagnétiques associés sont en cours. À la fin de la décennie, une vue beaucoup plus complète de l'univers des ondes gravitationnelles sera terminée.


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L'American Astronomical Society (AAS), fondée en 1899 et basée à Washington, DC, est la principale organisation d'astronomes professionnels en Amérique du Nord. Ses membres d'environ 7 000 personnes comprennent également des physiciens, des mathématiciens, des géologues, des ingénieurs et d'autres dont les intérêts de recherche et d'enseignement se situent dans le large éventail de sujets comprenant l'astronomie contemporaine. La mission de l'AAS est d'améliorer et de partager la compréhension scientifique de l'univers par l'humanité.

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2 réponses 2

La réponse simple est : pas du tout

Considérez la vue, pas seulement chez les humains, mais à travers le spectre des créatures. Vous avez des yeux de conception et de maquillage différents partout, de la mouche aux multiples facettes aux curiosités des chats, des grenouilles et des chèvres. Ajoutez à cela la variété juste dans l'œil humain, y compris la sensibilité à la lumière (quelque chose que je connais très, très bien), l'acuité, la protection des paupières et des fluides, etc. Il y a une telle variété d'yeux sur Terre que je trouve il est peu probable qu'un deuxième soleil change les yeux.

Mais, pour mémoire, en comparant votre monde à la Terre :

Un monde sensiblement plus lumineux peut développer des pupilles qui peuvent se fermer plus que celles d'un humain ou une sensibilité réduite à la lumière, ce qui les aveuglerait lors de la visite de mondes plus sombres. Cela les obligerait à porter des verres améliorant la lumière, tout comme nous aurions besoin de lunettes de soleil pour visiter leur monde.

Parallèlement à la diminution de la sensibilité à la lumière, il y a la possibilité d'un deuxième couvercle translucide (comme celui d'un chat) qui pourrait être utilisé comme lunettes de soleil naturelles.

Il pourrait y avoir un problème de rayonnement en fonction de l'efficacité avec laquelle les ceintures de rayonnement de votre monde filtrent les deux vents solaires. Bien que j'aie de forts doutes quant à savoir si cela changerait considérablement l'œil, cela pourrait être utilisé comme argument pour rationaliser le changement de la forme de la pupille ou de la couleur de l'iris.

Plus de photons pourraient signifier des yeux plus petits en général, car moins de bâtonnets/cônes sont nécessaires pour "voir" le même objet.

C'est tout ce que j'ai. Un deuxième soleil ne fait vraiment que deux choses : ajouter plus de photons au mélange pendant, potentiellement, une période de temps plus longue. Plus de photons pendant plus d'heures ne change pas vraiment la nature de la perception oculaire.

Le fait d'avoir un deuxième soleil plus petit dans le ciel fait que les jours semblent plus longs. Comme les deux étoiles tournent autour de leur centre de gravité sur une période de plusieurs heures, jours ou semaines, parfois le plus petit soleil éclipsera le plus grand, parfois le plus grand soleil éclipsera le plus petit, et la plupart du temps ils seront vus côte à côte dans le ciel.

Et parfois, lorsque la planète tourne, une seule étoile sera visible dans le ciel. James a précisé que les étoiles orbitent les unes autour des autres à une distance de 0,5 UA. Si la planète est à une distance de 1 UA, les étoiles peuvent regarder jusqu'à 30 degrés d'arc les unes des autres dans le ciel de la planète.

Ainsi, lorsque les deux étoiles sont à leur séparation maximale, la plus brillante sera visible sans la plus faible pendant environ 0,08333 d'une période de rotation planétaire, la plus faible sera visible sans la plus brillante pendant environ 0,08333 d'une période de rotation planétaire, et les deux devraient être visibles ensemble dans le ciel pendant environ 0,416667 d'une période de rotation planétaire, si mes calculs sont corrects.

Ainsi, lorsque les deux soleils sont les plus éloignés l'un de l'autre, le jour devrait durer environ 0,58333 d'une période de rotation planétaire et la nuit durer environ 0,41667 d'une période de rotation planétaire. Si la planète n'a pas d'inclinaison axiale, bien sûr.

Lorsque les deux étoiles sont plus proches l'une de l'autre, les périodes d'un seul soleil visible seront de moins en moins de la période de rotation totale.

Il est possible que les animaux et les humanoïdes de la planète de James aient des adaptations pour mieux voir à la lumière d'un seul des deux soleils.

Si James veut rendre son système scientifiquement probable, il devrait réduire considérablement la distance entre les deux soleils. Les astronomes ont calculé la stabilité des planètes possibles dans les systèmes binaires, y compris les orbites de type S, où la planète orbite une seule des étoiles, et les orbites de type P ou circumbinaires où la planète orbite les deux étoiles.

Pour une planète circumbinaire, la stabilité orbitale n'est garantie que si la distance de la planète aux étoiles est nettement supérieure à la distance d'étoile à étoile.

La séparation minimale entre les étoiles stables et les planètes circumbinaires est d'environ 2 à 4 fois la séparation binaire des étoiles, ou la période orbitale d'environ 3 à 8 fois la période binaire. Les planètes les plus à l'intérieur de tous les systèmes circumbinaires de Kepler ont été trouvées en orbite proche de ce rayon. Les planètes ont des demi-grands axes qui se situent entre 1,09 et 1,46 fois ce rayon critique. La raison pourrait être que la migration pourrait devenir inefficace près du rayon critique, laissant les planètes juste en dehors de ce rayon.[6]

Par exemple, Kepler-47c est une géante gazeuse dans la zone habitable circumbinaire du système Kepler-47.

Donc, si James veut être plus plausible scientifiquement, il devrait déplacer un peu sa planète (mais seulement un peu ou il fera trop froid) plus loin des soleils et rapprocher les soleils, ou simplement rapprocher les soleils. Je séparerais les soleils de moins de 0,25 UA (ce qui est toujours jusqu'à 23 000 000 milles) si la planète est exactement à 1 UA du centre de masse des deux soleils. Ainsi la séparation maximale possible entre les deux étoiles dans le ciel de la planète serait de 15 degrés ou moins, et les animaux auraient moins besoin d'évoluer pour une meilleure vision à la lumière d'un seul soleil.

Un autre facteur est les différentes fréquences de lumière émises par les deux soleils. Chacun émettrait presque toute la gamme de rayonnement électromagnétique, des rayons gamma aux ondes radio, mais certaines fréquences seraient plusieurs fois plus courantes que d'autres.

La proposition originale de James demandait une naine blanche. La plupart des naines blanches ont des températures de surface plus élevées que le soleil, certaines beaucoup plus élevées, de sorte que leur lumière est la lumière blanche bleue la plus énergétique. Ainsi, regarder une naine blanche pourrait être plus douloureux que de regarder une étoile de type G à la même distance, bien que la naine blanche ait une luminosité totale beaucoup plus faible.

James a modifié sa question pour poser une question sur une naine rouge en tant que soleil plus faible. Les naines rouges ont des températures de surface beaucoup plus froides que les étoiles de type G, et les fréquences de lumière les plus courantes qu'elles émettent sont des fréquences orangées et rougeâtres moins énergétiques. Donc, si les yeux de type Terre peuvent gérer la lumière jaunâtre des étoiles de type G, ils ne devraient avoir aucun problème avec la lumière rougeâtre des naines rouges, n'est-ce pas ?

Le Soleil a des éruptions solaires très impressionnantes. Si les naines rouges avaient des éruptions stellaires de taille similaire, elles modifieraient la luminosité globale des naines rouges beaucoup plus que les éruptions solaires ne modifieraient la luminosité globale du Soleil. De nombreuses naines rouges sont des étoiles d'éruption, qui ont des éruptions plusieurs fois plus grandes que n'importe quelle éruption solaire, ce qui modifie considérablement la luminosité des étoiles d'éruption. L'éruption stellaire la plus intense enregistrée peut avoir été jusqu'à 10 000 fois plus forte que n'importe quelle éruption solaire.

Ainsi, si la naine rouge du système est une étoile flamboyante, elle pourrait facilement doubler la luminosité de la naine rouge pendant une courte période. Mais comme la naine rouge n'aurait qu'une fraction de la luminosité de l'étoile de type G, cela ne ferait pas beaucoup de différence. Mais les éruptions stellaires des étoiles évasées peuvent souvent avoir des rayons lumineux à haute énergie qui peuvent être douloureux pour les yeux des animaux de la planète. Surtout lorsque la naine rouge est le seul soleil dans le ciel et que les yeux sont passés à une méthode permettant de mieux voir dans la lumière plus faible de la naine rouge, tout comme les yeux humains passent à la vision nocturne pour voir dans l'obscurité.

Thus it is possible that if the dimmer star is a flare star the animals on the planet might evolve to tolerate occasional intense light from stellar flares, possibly an eyelid or membrane that would instantly shut when detecting intense light, leaving the animal temporarily blind but preventing long term damage to its eyes.

So Jame should decide whether he wants his dimmer star to be a flare star or not and whether he wants the animals and people on his planet to be adapted for occasional flares from the dimmer star.


Enough Time for Life: Part II

In my last post I discussed how it was possible to make tentative estimates about the total amount of time that a planet spends in the habitable zone, also known as its habitable period, and why this is important. In this post, I’d like to put numbers to those estimates.

This figure plots the results as a function of star mass, running along the horizontal axis. The vertical axis is in units of billions of years, and is on a logarithmic scale. The dashed line running through the middle (‘mean habitable period’) represents the habitable period that would be expected if a planet was located right in the centre of the habitable zone at the beginning of the star’s lifetime. I’ve included it to highlight the fact that lower mass stars have longer habitable periods. I’ve also included the Earth and Mars, as well as the four habitable exoplanet candidates mentioned in the preceding post.

This simple model, the results of which are outlined in the image above, estimates the Earth’s total habitable period to be approximately 4.91 billion years, meaning that it will end about 370 million years from now. That sounds like a long time, and in the context of human time-scales, it certainly is. Even geologically, the world of 370 million years ago was a very different place. It was the height of the Late Devonian period, and a full 172 million years after the Cambrian explosion saw the rapid diversification and speciation of some the earliest complex eukaryote life. The first forests were in the process of transforming the landscape of the supercontinent Gondwana, unconstrained by the lack of large herbivorous animals, and the first tetrapods were appearing in the fossil record. Who knows what transformations the world and life will undergo during the next 370 million years?

I should note that the error bars for these numbers are high, and I’m making no concrete predictions here for the inhabitants of the world 369 million years from now to call me out on. The habitable zone as a theory itself is fraught with assumptions that are, at this stage of understanding, regrettably necessary and regularly challenged and amended.

-William Shakespeare, Sonnet LX

It remains intrinsically unsettling to consider the fact that at some point our lovely blue-green home planet will eventually lose its ability to support life. It is certain that, whether after 4.91 billion years or not, the edge of the gradually advancing theoretical boundary of habitability will near planet Earth now an apocalyptic world of blistering heat and desolation, unrecognisable from today’s lush, watery paradise. As Sol’s mass, radiative output and surface temperature steadily increase, the Earth’s climate will eventually become scorching. The fundamental biogeochemical mechanisms that help to regulate the Earth’s climate will break down, buckling under the strain of the ever encroaching Sun, and a ‘runaway greenhouse‘ crisis will result. Caused by the evaporation of the oceans and the initiation of a irreversible water vapour/temperature feedback mechanism, the runaway greenhouse is thought to be responsible for the of climate of Venus today. High temperatures result in more water vapour in the air and higher humidity, which in turns boosts the temperature further causing more evaporation and more humidity. Eventually the Earth will become enveloped in thick, impenetrable cloud, insulating the surface and acting like an planet-wide pressure cooker, undoubtedly heralding the end of life on the Earth as we know it.

As the Sun grows larger and hotter, high energy particles from the solar wind will eventually strip away this thick atmosphere which will be forever lost to space. The parched, molten husk of the Earth, former home to countless organisms and every human ever to exist, as well as the stage to every single event, from the minuscule to the revolutionary that took place for nearly 5 billion years, will probably be devoured by the Sun long after it has become inhospitable for life, an incomprehensibly distant 7 billion years from now.

What Earth may look like 5-7 billion years from now – after the Sun swells and becomes a Red Giant. (Wikipedia)

The Earth, my friends, is lost. But fear not, perhaps we could move out to Mars? Our dusty neighbour will move into the habitable zone approximately 1.7 billion years from now, and stay there for the remainder of the Sun’s main sequence lifetime. The Sun in it’s death throes will make for an incredible sight in the Martian sky. However, Mars has a very chaotic orbit, making it difficult to determine exactly where it will be in the distant future. On top of all this, it’s hard to predict what conditions will be like around the ageing Sun.

Well, so much for the Earth and Mars. Let’s hope that in the preceding 370 million years our descendants make it to a better world.

The Super-Earth Gliese 581d (top left of plot) has an approximate habitable period of over 50 billion years. I don’t know about you, but I have real difficultly grasping the truly unfathomable immensity of that amount of time. Research suggests that its star, red dwarf Gliese 581, is approximately 8 billion years old, and therefore the habitable zone has been home to Gliese 581d for 1.4 times as long as the Earth has existed for, yet it is only 13% of the way through its total habitable period. Still, this isn’t to say that it’s ‘habitable’ there are plenty of other factors (its large mass for example) that suggests that it’s not a place where life would thrive. Although, given 50 billion years who knows what evolution could throw up?

Gliese 667Cc, also orbiting a red dwarf star, will be in the habitable zone for 1.8 billion years because it formed straddling the inner edge – it won’t be (relatively) long until the heat of its star overwhelms its ability to maintain a habitable environment, if it has one at all. It’s a similar story for the Super-Earth HD 85512 b. Despite it’s location in the habitable zone, it’s still too close to be habitable for any considerable length of time – a mere 603 million years which, if we draw on Earth’s evolutionary history for comparison, is barely enough time for the denizens of the Cambrian to make themselves comfortable, if we extrapolate backwards (and ignore the

3.5 billion years that it took to get to this stage in the first place).

Kepler 22b is another excellent candidate for a habitable planet, orbiting well within the habitable zone and remaining there for 3.4 billion years. On Earth, 3.4 billion years ago, it is thought that the first primitive organisms had emerged and were building reefs (stromatolites) and going about their daily business of dividing and multiplying – the kind of stuff that modern bacteria tend to fill their lives with. From these humble beginnings we emerged eons later perhaps the same can be true on Kepler 22b?

I realise this has been quite a long article, and I appreciate you sticking it out to the end. I hope that you found it as interesting to read as I did to write. The concept of habitability through time hasn’t been explored in great detail, and I hope to refine these numbers and tweak the model and its assumptions to improve the accuracy of the estimates in the future. Nevertheless, I found it an interesting, and rather humbling, thought experiment if nothing else.

Perspective is important, and yet always in short supply. We’re currently 92% of the way through our planet’s habitable period, enjoying the twilight years of its habitable lifetime. We have to remember that the Earth isn’t going to be able to shelter us indefinitely and that all planets’ lives come to an end at some point. It’s worth bearing that mind when considering that despite our delusions of grandeur, our brief residence on this planet has been a fleeting blip in its long and tumultuous history. Our future may well be too.


Think about a frozen-over lake in the winter. The water underneath is liquid, but it doesn't melt the ice. In fact, it wasn't even able to stop the ice from freezing as the weather got colder in the winter. The surface of the lake was losing heat faster than it could soak up heat from the warmer water below, so it froze while the deeper water was still liquid.

The earth was completely molten right after the impact that formed the moon. That's like the lake at the end of fall. The liquid surface radiated heat away into space until first the surface solidified (pretty quickly) and then the depth of solid rock got greater and greater. The hotter molten rock down below just couldn't heat up the surface fast enough to keep it molten.

First thing to notice is that the heat flow is limited, so the heat from the core does not flow to the surface instantaneously.

Second point is that the surface of the Earth radiates energy to the space. The combination of these effects makes it possible to have a molten core but a cold surface.

Why can't the Earth's core melt the whole planet? In other words, what is stopping Earth from being melted up to its surface?

I'll rhetorically ask the reverse question: Why can't radiation to empty space freeze the whole planet? In other words, what is stopping Earth from being solid all the way down to its center?

The answer to this reversed question is that that is exactly what is happening, but doing so takes a long, long time, about 4.5 billion years and counting. The Earth's crust apparently formed fairly early on and cooled rapidly, possibly rapidly enough to have enabled liquid water only a few hundred million years after the Earth formed. This is the Cool Early Earth hypothesis.

This ever-present cooling has barely reached the center of the Earth, for several reasons:

  • The formation of the Earth from many collisions, the differentiation of the Earth into a dense core and rocky mantle and crust, and the hypothesized giant collision with a Mars-sized object made the early Earth have a lot of thermal energy that is still be radiated into space.
  • The four key long-lived radioactive isotopes (uranium 235, potassium 40, uranium 238, and thorium 232, listed by increasing half-life) are concentrated in the crust, less concentrated in the mantle, and are probably highly depleted in the Earth's core. Think of these long-lived radioactive isotopes as an electric blanket that keeps the core from losing heat.
  • The Earth's mantle and crust are almost 3000 km thick, and rock has a rather low thermal conductivity compared to other solids. Think of this as a very thick blanket that keeps the core from losing heat.
  • Later on, the formation of the inner core has added even more thermal energy to the core. Freezing is an exothermal reaction. This combats the heat transfer across the core-mantle boundary.

Why can't the Earth's core melt the whole planet?

Because the heat flow rate from the Earth's interior is far too small.

Except for a few isolated spots such as geysers in Yellowstone, hot springs in Iceland, and vents near oceanic ridges and underwater volcanos, the heat flow from the Earth is miniscule. Averaged over the surface of the Earth, the heat flow from the interior of the Earth to the surface of the Earth is a bit more than 1/5000 of the heat flow from the Sun and the atmosphere to the surface of the Earth. The Earth's internal energy budget is a noise-level contributor to the temperature of the surface of the Earth.

It is worth mentioning that if you double the radius, the surface of a sphere increases by a factor of 4. And the volume of the outer 3000km of the planet is 7 times the volume of the inner 3000km. So there is a lot of opportunity to dissipate heat.

Also, this phenomenon can be observed during eruptions, where lava quickly develops a black crust on the outside, even though it is red-hot just below that small cooler crust.

Melted rock radiates energy, the higher the temperature, the more intense the radiation. In a stable state, the melted rock receives the same amount of energy per second as it gives off by radiation. If it receives less, it will cool down to a lower temperature where the new balance gets established. This lower temperature may be under the melting point of the rock.

Earth's surface rocks are not melted so apparently the heat energy the surface receives from the hot melted rocks inside the Earth per second is small enough to be radiated out by the surface at low temperature, where it is not melted anymore.

It's all about temperature gradient and heat current. Think of a rod one of whose edges is maintained at $100^o$ C and other at ^o$ C the temperature of a given section would be same and a linear function of distance from either of the end.

Similarly in case of sphere with hot core , the temperature keeps on decreasing as you move away from core and also the cross-section through which the heat passes keeps on increasing .

The regions where temperature and pressure are right the medium indeed is molten and convection is the chief mode of heat transfer.

The region surrounding core is theorized to be molten .

Most of the source of "heat" in the earth is caused by radioactive decay, apart from what is left over from the original accretion event. Solid rock is a pretty good insulator, so a lot of that heat only reaches the surface slowly.

The inner core is solid iron and the outer core is liquid iron-nickel. the rest of the earth has a composition not unlike the volcanic rock we see, basalt on the ocean floor and more granite-like on the continents (meaning silicon-oxide mostly with mg,al,fe, etc scattered around).

Rock is no different from any other matter, in that it has different phases depending on its pressure, volume and temperature regime. So basically the PVT regime for rock results in most of the earth being solid.

Vulcanism in most cases is the result of tectonic plate motion which can cause friction but also just move rock from one PVT environment to another where it becomes molten and produces vulcanism. There are a few cases of mid-oceanic hotspots, different from plate boundaries, that also produce vulcanism (like Hawaii).

The internal temperature is largely in a steady state with any loss in primordial heat being replaced by radiogenic heat. At the surface of the earth we also have largely been in a steady state with all the incoming radiation from the sun being shed off into space for no net gain. It fluctuates over large periods of time for several reasons, but never so much as to lead to an extinction of all life since the Cambrian. The maximum fluctuation in average surface temperature has been about 12 deg C over the last 500 million years.