Эмили Симпсон любила космос с тех пор, как была 10-летним ребенком, отмечавшим свой день рождения в планетарии. Теперь она недавно окончила Флоридский технологический институт, получив не только двойную степень в области планетологии, астрономии и астрофизики, но и опубликованные исследования. Она составила карту «альтернативной судьбы» нашей Солнечной системы, если бы в ней вместо существующего пояса астероидов появилась дополнительная планета между Марсом и Юпитером.

Работа Симпсон «Как планета между Марсом и Юпитером могла бы повлиять на внутреннюю Солнечную систему? Влияние на орбитальное движение, косоугольность и эксцентриситет» была опубликована в журнале Icarus, посвященном публикации исследований, связанных с изучением Солнечной системы. Она была написана в соавторстве с ее советником, доцентом планетарных наук Говардом Ченом.

Они разработали 3D-модель, которая моделирует, как орбитальная архитектура Солнечной системы могла развиваться по-другому при формировании планеты, которая по крайней мере в два раза больше массы Земли — супер-Земли — вместо пояса астероидов.

«Что если бы пояс астероидов вместо того, чтобы сформировать кольцо из более мелких астероидов, которым он является сегодня, сформировал бы планету между Марсом и Юпитером», — спрашивает Симпсон. «Как бы это повлияло на внутренние планеты, в частности на Венеру, Землю и Марс?»

По словам Чена, с момента открытия первой экзопланеты в 1992 году исследователи задаются вопросом, насколько распространены солнечные системы — группы планет, вращающихся вокруг звезды, — и как много таких планетных систем похожи на нашу Солнечную систему. По его словам, наша Солнечная система встречается редко; большинство планетарных систем более компактны, чем наша, и многие из них содержат сверхземные планеты.

По словам исследователей, понимание того, как изменилась бы обитаемость внутренних планет нашей Солнечной системы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса — если бы напротив Марса находилась суперземля, может помочь астробиологам определить, какие планетарные системы могут поддерживать жизнь.

В своем исследовании Симпсон предложила пять различных потенциальных масс планет в диапазоне от 1% массы Земли до 10 масс Земли. Для каждой массы она смоделировала орбиту на 2 миллиона лет, чтобы выяснить, какое архитектурное влияние окажет каждая масса на нашу Солнечную систему. В частности, она отслеживала изменения в наклонах других планет — насколько сильно планета наклонена к своей оси — и эксцентриситетах — насколько сильно орбита планеты отклоняется от истинного круга.

Обликвити влияет на интенсивность температуры в каждом сезоне: больший наклон создает более интенсивные температуры, а меньший наклон — более мягкие. Эксцентриситет определяет продолжительность каждого сезона: меньший эксцентриситет выравнивает четыре сезона по длительности, в то время как больший эксцентриситет создает дисбаланс количества дней в каждом сезоне.

Симпсон и Чен обнаружили, что симуляции с меньшей массой оказывают меньшее влияние на обитаемость внутренних планет. По словам Симпсона, они обнаружили некоторые изменения в косоугольности — Марс «шатался» немного больше, — но в целом внутренняя Солнечная система оставалась пригодной для жизни.

«Если это одна или две массы Земли, а это все равно довольно большая планета, то наша внутренняя Солнечная система все равно останется довольно приятной. Возможно, лето будет немного жарче, а зима холоднее, потому что косоглазие изменится, но мы все равно сможем жить своей жизнью», — объясняет Чен.

Однако с планетами большей массы происходили более пагубные изменения в структуре системы. При моделировании планеты, масса которой в 10 раз больше массы Земли, Симпсон обнаружил, что у внутренних планет наблюдается большая косоугольность и большой эксцентриситет, что приводит к опасной разнице температур между сезонами. Возможно, масса даже приблизила орбиту Земли к орбите Венеры и вывела ее за пределы обитаемой зоны, в которой она находится в настоящее время.

Хотя эти наблюдения гипотетичны, они могут помочь астробиологам предсказать, как и где жизнь может иметь шанс выжить в планетарной системе. Это исследование также дает представление о том, насколько большой может стать суперземля, прежде чем задушить возможность существования жизни вокруг нее.

«Если мы обнаружим систему, похожую на Солнечную, но с несколько иной историей — где вместо естественного пояса есть планета, — смогут ли внутренние регионы этой планетной системы оставаться гостеприимными? Ответ зависит от того, насколько велика планета», — говорит Симпсон. «Если она слишком массивна, это, вероятно, станет гибелью для планет, находящихся на ее орбите».

Несмотря на стихийно возникающие вопросы о выживаемости жизни на планетах с разным спектром масс, работа Эмили и Говарда привлекла внимание ученых со всего мира. Ведущие исследователи в области астробиологии, планетарной физики и астрофизики начали обсуждать потенциальные последствия их выводов на международных конференциях и симпозиумах.

Вдохновленная успехом своего исследования, Эмили решила углубиться в изучение других аспектов, влияющих на обитаемость. Она сформировала исследовательскую группу из молодых ученых, инженеров и маркетологов, чтобы продвигать идеи своей работы. Вместе они начали разрабатывать образовательную платформу, где могли бы делиться полученными знаниями с широкой аудиторией, включая школярей и студентов. Они решили создать интерактивную модель Солнечной системы, в которой каждый желающий мог бы смотреть, как изменение массы планет меняет обитаемость.

Тем временем, в их работе находили все больше и больше применения. Учёные из разных лабораторий начали использовать модели Симпсон и Чена как основу для симуляций, которые могли бы помочь в определении мест для будущих экспедиций к экзопланетам, а также в планировании колонизации Марса и других планет.

На одном из таких семинаров Эмили подошел известный астроном, доктор Ричард Сондерс, который, впечатлённый их работой, предложил коллаборацию. Он планировал запуск нового проекта по изучению экзопланет, находящихся в зонах обитаемости различных звезд. Доктор Сондерс искал динамичную команду, способную провести анализ и моделирование возможных условий на этих планетах.

С началом этой коллаборации Эмили поняла, что у её работы есть шанс не только изменить взгляд на жизнь в космосе, но и внести важный вклад в поиски потенциальных мест обитания. Тем временем, ее исследования привлекли внимание медиа, и она начала получать приглашения на телевидение и радиопередачи, где объясняла свои идеи широкой аудитории.

«Наша работа открывает новые горизонты», — говорила она в одном из интервью. «Мы даже не можем представить, сколько невероятных открытий нас ждёт в ближайшие годы, когда мы будем искать жизнь за пределами нашей планеты».

С каждым новым открытием Эмили становилась всё более уверенной, что ее мечты о космосе не только личны, но и важны для всего человечества. И, как это часто бывает, эта вера только укрепляла ее стремление продолжать исследовать недра Вселенной.