Планеты с магматическим океаном, содержащие воду, например, экзопланета земного типа GJ 1214 b в представлении этого художника, будут содержать на своей поверхности лишь малую часть этой воды. Большая ее часть хранится глубоко в их недрах. Кредит: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt
Мы знаем, что у Земли есть железное ядро, окруженное мантией из силикатных пород и водой (океанами) на ее поверхности. Наука использовала эту простую модель планеты до сегодняшнего дня для исследования экзопланет — планет, которые вращаются вокруг другой звезды за пределами нашей солнечной системы.
«Только в последние годы мы начали понимать, что планеты сложнее, чем мы думали», — говорит Кэролайн Дорн, профессор кафедры экзопланет в Швейцарской высшей технической школе Цюриха.
Большинство известных сегодня экзопланет расположены близко к своей звезде. Это означает, что они в основном состоят из горячих миров океанов расплавленной магмы, которые еще не остыли, чтобы сформировать твердую мантию из силикатной породы, как на Земле. Вода очень хорошо растворяется в этих магматических океанах — в отличие, например, от углекислого газа, который быстро выделяется и поднимается в атмосферу.
Железное ядро находится под расплавленной мантией силикатов. Так как же распределяется вода между силикатами и железом?
Именно это Дорн исследовал в сотрудничестве с Хайяном Ло и Цзе Дэном из Принстонского университета с помощью модельных расчетов, основанных на фундаментальных законах физики. Исследователи представляют свои результаты в журнале Nature Astronomy.
Магматический суп с водой и железом
Чтобы объяснить результаты, Дорну приходится вдаваться в подробности: «Железному ядру требуется время для развития. Большая часть железа изначально содержится в горячем магматическом супе в виде капель». Вода, содержащаяся в этом супе, соединяется с этими железными капельками и опускается вместе с ними в ядро. «Железные капли ведут себя как лифт, который перемещается вниз водой», — объясняет Дорн.
До сих пор было известно, что такое поведение имеет место только для умеренных давлений, которые также преобладают на Земле. Не было известно, что происходит в случае более крупных планет с более высокими внутренними условиями давления.
«Это один из ключевых результатов нашего исследования», — говорит Дорн. «Чем больше планета и чем больше ее масса, тем больше вода стремится уйти с капельками железа и интегрироваться в ядро. При определенных обстоятельствах железо может поглотить до 70 раз больше воды, чем силикаты. Однако из-за огромного давления в ядре вода больше не принимает форму молекул H2O, а присутствует в водороде и кислороде».
Большое количество воды также находится внутри Земли.
Это исследование было инициировано исследованиями содержания воды на Земле, которые дали удивительный результат четыре года назад: океаны на поверхности Земли содержат лишь малую часть от общего количества воды на нашей планете. Содержание более 80 океанов Земли может быть скрыто в ее недрах. Это показывают симуляции, вычисляющие, как вода ведет себя в условиях, которые преобладали, когда Земля была молодой. Эксперименты и сейсмологические измерения, соответственно, совместимы.
Новые открытия, касающиеся распределения воды на планетах, имеют драматические последствия для интерпретации данных астрономических наблюдений. Используя свои телескопы в космосе и на Земле, астрономы могут при определенных условиях измерить вес и размер экзопланеты. Они используют эти расчеты для построения диаграмм масса-радиус, которые позволяют делать выводы о составе планеты. Если при этом — как это было до сих пор — игнорировать растворимость и распределение воды, объем воды может быть существенно занижен до десяти раз.
«На планетах гораздо больше воды, чем предполагалось ранее», — говорит Дорн.
Понимание истории эволюции
Распределение воды также важно, если мы хотим понять, как формируются и развиваются планеты. Вода, которая опустилась в ядро, остается там навсегда. Однако вода, растворенная в магматическом океане мантии, может терять газ и подниматься на поверхность во время охлаждения мантии.
«Поэтому, если мы находим воду в атмосфере планеты, то, вероятно, ее гораздо больше внутри», — объясняет Дорн.
Именно это и пытается найти космический телескоп Джеймса Уэбба, который уже два года посылает данные из космоса на Землю. Он способен отслеживать молекулы в атмосфере экзопланет.
«Только состав верхней атмосферы экзопланет можно измерить напрямую», — поясняет ученый. «Наша группа хочет установить связь между атмосферой и внутренними глубинами небесных тел».
Особый интерес представляют новые данные об экзопланете TOI-270d.
«Там были собраны доказательства реального существования таких взаимодействий между магматическим океаном внутри и атмосферой», — говорит Дорн, которая участвовала в соответствующей публикации о TOI-270d. В ее список интересных объектов, которые она хочет изучить более подробно, входит также планета K2-18b, которая попала в заголовки из-за вероятности наличия на ней жизни.
Подходят ли водные миры для поддержания жизни?
Вода является одним из предварительных условий для развития жизни. Долгое время ходили слухи о потенциальной обитаемости обильных водой суперземель, то есть планет с массой, в несколько раз превышающей массу Земли, и с поверхностью, покрытой глубоким мировым океаном. Затем расчеты показали, что слишком много воды может быть враждебно к жизни. Аргумент состоял в том, что в этих водных мирах слой экзотического льда высокого давления будет препятствовать обмену жизненно важными веществами на границе между океаном и мантией планеты.
Новое исследование теперь приходит к другому выводу: планеты с глубокими водными слоями, вероятно, будут редким явлением, поскольку большая часть воды на суперземлях не находится на поверхности, как предполагалось до сих пор, а заключена в ядре. Это заставляет ученых предполагать, что даже планеты с относительно высоким содержанием воды могут иметь потенциал для развития обитаемых условий, подобных земным. Как заключают Дорн и ее коллеги, их исследование, таким образом, проливает новый свет на потенциальное существование миров, богатых водой, которые могли бы поддерживать жизнь.
