Астрономам известно около 60 скалистых экзопланет, вращающихся в обитаемых зонах своих звезд. Когда они пытаются определить, насколько обитаемыми могут быть эти планеты, обнаружение воды в их атмосферах играет огромную роль. Но что, если бы существовал другой способ измерения содержания воды в этих мирах?
Исследователи разрабатывают способ моделирования этих миров, чтобы определить, сколько в них воды.
Насколько мы можем судить, для обитания, вероятно, необходимы поверхностные воды. Но обнаружить поверхностную воду практически невозможно. Следующий лучший вариант — использовать имеющиеся у нас инструменты, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, для обнаружения и описания атмосфер экзопланет. Но, несмотря на мощь JWST, он не может исследовать атмосферу каждой экзопланеты. Некоторые из них находятся за пределами его досягаемости. Но одна группа исследователей использует то, что мы знаем об экзопланетах, приливном и радиогенном нагреве, чтобы попытаться определить, на каких экзопланетах могут быть океаны — на поверхности или под поверхностью.
Команда ученых изучила список скалистых экзопланет в обитаемых зонах и с помощью моделирования определила, насколько вероятно, что они имеют толстый, поверхностный или подповерхностный слой океана. Они публикуют свои результаты в статье под названием «Содержание воды в скалистых экзопланетах в обитаемой зоне». Ведущий автор — Адам Болдог из Обсерватории Конколи и Исследовательского центра астрономии и наук о Земле HUN-REN в Будапеште, Венгрия.
Одним из препятствий, с которыми сталкиваются ученые-экзопланеты, является распространение звезд М-карликов или красных карликов. Половина звезд Млечного Пути могут быть красными карликами, и именно здесь мы обнаружили большинство каменистых планет в обитаемых зонах. Но красные карлики демонстрируют значительные вспышки, и иногда эти вспышки намного мощнее, чем все, что производит наше Солнце. Поскольку красные карлики не так ярки, как звезды, подобные Солнцу, их обитаемые зоны расположены гораздо ближе к звезде. Это означает, что экзопланеты в их обитаемых зонах могут быть лишены атмосферы мощной вспышкой красного карлика. Как только атмосфера исчезнет, за ней обязательно последуют поверхностные воды.
В этих случаях на планете все еще может поддерживаться жизнь даже без атмосферы. Вполне возможно, что на каменистых планетах в обитаемых зонах красных карликов много жидкой воды, но не на поверхности. Они могли бы быть больше похожи на океанские спутники нашей Солнечной системы Европу, Энцелад и другие. На них достаточно воды, в некоторых случаях больше, чем на Земле. Но у них нет поверхностных вод, а есть только чрезвычайно разреженная атмосфера. Атмосферная спектроскопия JWST мало что может сказать нам об этих типах миров и о том, есть ли у них океаны.
«Поэтому важно изучить другие возможные способы изучения обитаемости экзопланет, не зависящие от наличия атмосферы», — объясняют авторы.
«В этом исследовании мы исследовали недра скалистых экзопланет, чтобы выявить те из них, которые могут содержать большое количество воды», — пишут авторы. «Мы смоделировали внутренности 28 скалистых экзопланет, предполагая четыре разных слоя — железное ядро, каменную мантию, слой льда под высоким давлением и поверхностный слой льда/воды».
Помимо структуры планеты, ее тепловой баланс играет большую роль в содержании в ней жидкой воды. Есть два способа, которыми планета может генерировать тепло. Одним из них является радиогенное тепло, возникающее в результате радиоактивного распада изотопов урана, тория и калия в мантии и коре планеты. Другой — приливный нагрев, который возникает из-за трения, создаваемого орбитой и вращением планеты. Исследователи включили вероятные количества и того, и другого в свою модель.
«Мы оценили вероятность наличия у этих планет толстого слоя океана с учетом влияния как приливного, так и радиогенного нагрева», — поясняют авторы.
Некоторые из планет в исследовании хорошо известны. Проксима Центавра b — ближайшая к Земле экзопланета, что делает ее объектом интенсивных спекуляций и исследований. Планеты TRAPPIST-1 попали в заголовки газет, когда были открыты несколько лет назад. Другие, в том числе TOI 700d, представляют собой интригующие экзопланеты размером с Землю.
В своем моделировании исследователи основывали структуру экзопланет на предыдущих работах, показавших, что скалистые экзопланеты могут иметь железное ядро, каменистую мантию, слой, состоящий из полиморфов льда под высоким давлением (HPP), и поверхностный слой льда/воды.
Основываясь на массе и радиусе каждой планеты, исследователи определили массовую долю воды для каждой из 28 планет. Это мера того, какую часть массы каждой планеты составляет вода. В результате моделирования был получен диапазон массовых долей воды для каждой планеты.
Входные масса и размеры для некоторых планет более определенны, чем для других, и это показано на рисунке ниже, где результирующие массовые доли H2O сконцентрированы в относительно узком диапазоне, при этом массовые доли H2O демонстрируют пик в распределении на наибольшие вероятности.
«Цвет и цифры обозначают долю всех смоделированных интерьеров, в результате которых были созданы внутренние структуры в определенном диапазоне массовой доли H2O», — объясняют авторы. «Если большое количество недр имеет высокие массовые доли H2O для данной планеты, это проявляется в сдвиге значений и более светлых цветов на рисунке в сторону более высоких диапазонов массовой доли».
Исследователи обнаружили, что все 28 планет в их выборке могут иметь глобальную ледяную или водную поверхность. Некоторым из них даже не нужна атмосфера.
«Наши результаты показывают, что все эти планеты могут иметь достаточно большую массовую долю H2O, чтобы иметь глобальные поверхности льда и воды», — пишут исследователи. «Планеты с температурой поверхности выше точки плавления
Лед и большие массы воды могут иметь глобальные океаны независимо от наличия атмосферы».
Согласно исследованию, на планетах с температурой поверхности ниже точки плавления все еще может быть вода, но она будет покрыта льдом. «Если внутренний тепловой поток в этих телах достаточно высок, чтобы вызвать плавление слоя ГЭС, эти миры могут содержать подземные резервуары с жидкой водой», — объясняют они.
Среди интригующих результатов исследования — планеты TRAPPIST-1. Поскольку у нас есть более точные данные о них, чем о некоторых других 28 планетах, участвующих в исследовании, исследователи говорят, что их результаты с большей вероятностью будут точными. «Все смоделированные планеты TRAPPIST-1, скорее всего, будут иметь протяженные слои H2O», — объясняют авторы, добавляя, что для оценки обитаемости необходимо определить природу этих слоев.
На некоторых из 28 планет так много воды, что они могут быть планетами-океанами. В этих случаях водяной пар может обеспечить достаточное атмосферное давление для сохранения поверхностных океанов. «Наши результаты показывают, что Kepler-62 f, Kepler-452 b и Kepler-442 b могут принадлежать к классу океанических планет».
У исследования есть некоторые слабые места, на которые сразу указывают авторы. Во-первых, наше понимание радиогенного нагрева на мирах в других солнечных системах основано на обобщении нашей Солнечной системы. На каменистых планетах других солнечных систем может быть гораздо больше или гораздо меньше радиогенных элементов.
Приливный нагрев также неопределенен. «Стоит отметить, что приливный нагрев сильно зависит от эксцентриситета планетарной орбиты, который меняется в ходе эволюции планеты», — поясняют авторы. Планеты на эксцентрических орбитах испытывают приливный нагрев. Но планеты, близкие к своим звездам, в конечном итоге движутся по круговым орбитам, что может устранить этот источник тепла.
Если некоторые из этих результатов верны, миров с подземными океанами может быть больше, чем мы думаем. Кто знает? Может быть, это Земля и есть чудак.
«Подповерхностные океаны могут быть отличным местом для развития жизни, хотя это может быть трудно наблюдать с помощью наших нынешних технологий», — заключают авторы.
Подобные исследования не могут заменить прямое наблюдение, но история показывает, насколько они важны для совершенствования мышления ученых. Хотя мы не можем наблюдать за этими планетами достаточно хорошо, чтобы с уверенностью определить, есть ли на них океаны или нет, по крайней мере, учёные могут воспользоваться тем, что им известно, и работать над ответом.
