Земля когда-то была полностью расплавленной. Планетологи называют эту фазу эволюции планеты океаном магмы, и на Земле могло быть более одной фазы океана магмы. Земля остыла и за 4,5 миллиарда лет превратилась в тот динамичный, поддерживающий жизнь мир, которым является сегодня.
Может ли то же самое случиться с экзолавовыми мирами? Может ли их изучение пролить свет на переход Земли?
Охотники за планетами, такие как космический корабль «Кеплер» и TESS, нашли тысячи миров вокруг других звезд. Многие из этих миров вращаются вокруг своих звезд очень близко, настолько близко, что нагреваются до экстремальных температур. Многие из этих планет являются газовыми гигантами, но значительная часть из них каменистая, и из-за сильной жары они остаются расплавленными или, по крайней мере, частично расплавленными. По крайней мере половина этих перегретых скалистых миров способна удерживать магму на своей поверхности.
В нашей Солнечной системе нет ничего похожего на мир лавы. Ближайший — спутник Юпитера Ио. Но он вулканически активен, а это не то же самое, что океан магмы. Изучение лавовых миров дает ученым возможность заглянуть в расплавленное прошлое Земли, и, к счастью, их нетрудно найти.
Новое исследование рассмотрело горячие скалистые суперземли, то, как их магматические океаны влияют на наши наблюдения, а также как они также влияют на их эволюционные пути.
Исследование называется «Шипучие суперземли: влияние состава магмы на объемную плотность и структуру лавовых миров» и опубликовано в «Астрофизическом журнале». Ведущий автор — Кирстен Боли, аспирантка астрономического факультета Университета штата Огайо.
«Когда планеты первоначально формируются, особенно каменистые планеты земной группы, они проходят стадию океана магмы по мере остывания», — сказал Боли. «Таким образом, лавовые миры могут дать нам некоторое представление о том, что могло произойти в эволюции практически любой планеты земной группы».
«Способность улавливать множество летучих элементов внутри своей мантии может иметь более серьезные последствия для обитаемости».
Кирстен Боли, ведущий автор, Университет штата Огайо.
Команда использовала программное обеспечение для моделирования экзопланет, чтобы смоделировать Суперземли, которые вращаются вокруг своих звезд очень близко. Эти планеты называются планетами ультракороткого периода (USP). Они смоделировали несколько путей эволюции планеты, похожей на Землю, но с температурой поверхности от 2600 до 3860 F (1426 и 2126 C). В этом диапазоне твердая мантия планеты расплавилась бы в магму, в зависимости от ее состава.
В результате их работы были созданы три класса океанов магмы, каждый из которых имеет разную структуру мантии: мантийный океан магмы, поверхностный океан магмы и один, состоящий из поверхностного океана магмы, слоя твердой породы и базального океана магмы.
Исследования показывают, что планеты мантийного магматического океана встречаются реже, чем две другие, но ненамного. Но когда дело доходит до путей эволюции, которые могут привести к появлению обитаемых планет, состав планеты важнее, чем структура ее мантии. В лавовых мирах без атмосферы состав определяет, насколько эффективно магма улавливает летучие вещества. Это очень важно, когда дело касается жизни, какой мы ее знаем.
Чтобы на планете однажды появилась жизнь, ей нужна атмосфера с такими важными компонентами, как углерод и кислород. Земная жизнь основана на углероде, а кислород является ключом к сложной жизни здесь, на Земле. Таким образом, магматическая планета с достаточным количеством углерода и кислорода в магме могла бы в конечном итоге выделять эти важные материалы в растущую атмосферу планеты, если бы она удерживала их.
Вода, как мы все знаем, также имеет решающее значение для жизни, и некоторые из смоделированных планет имели огромные запасы воды. Согласно исследованию, базальная магматическая планета, которая в четыре раза массивнее Земли (СуперЗемля), может удерживать в себе в 130 раз больше воды, чем во всех океанах Земли. Одна и та же планета может улавливать в 1000 раз больше углерода, чем содержится в земной коре и мантии.
«Когда мы говорим об эволюции планеты и ее потенциале наличия различных элементов, необходимых для поддержания жизни, способность удерживать множество летучих элементов внутри своей мантии может иметь более серьезные последствия для обитаемости», — сказал Боули.
В исследовании также рассматривается плотность планет и то, что она может сказать нам на расстоянии, когда мы наблюдаем миры лавы. Магма и летучие вещества определяют плотность планеты, а температура играет большую роль в содержании летучих веществ.
Чтобы понять природу магматических планет и то, как они могут развиваться, астрономам необходимо знать, как океаны магмы влияют на свойства, которые они могут наблюдать на расстоянии. Но исследование на самом деле показывает, что когда дело доходит до лавовых миров, измерение их плотности может быть не лучшим способом понять их. По крайней мере, когда их сравнивают с твердыми экзопланетами. Это потому, что океан магмы не оказывает заметного влияния на плотность. Фактически, согласно этому исследованию, наличие океана магмы не может объяснить существование планет с океаном магмы низкой плотности.
Исследователи пришли к другим выводам о магматических океанах. Для планеты данной массы существует диапазон температур, при котором планета может иметь базальный океан магмы, который может содержать много летучих веществ. В своих моделях они вводили H2O и CO2 в магму некоторых планет и обнаружили, что это практически не влияет на плотность.
Что все это значит? Целью исследования было определить, указывает ли объемная плотность планеты на наличие океана магмы и не задерживаются ли летучие вещества внутри нее. Это удалось? Вроде, как бы, что-то вроде.
Это сужает наблюдаемые характеристики, которые могут рассказать планетологам о магматических мирах. Колебания плотности в большинстве случаев недостаточно велики, чтобы многое рассказать о планете и о том, может ли она содержать достаточно летучих веществ, таких как углерод и кислород, чтобы в конечном итоге сформировать атмосферу, поддерживающую жизнь. Вместо этого результаты показывают, что исследователям следует сосредоточиться на других вещах, таких как колебания поверхностной плотности экзопланеты.
Исследователи пишут, что они «не могут объяснить чрезвычайно низкую плотность некоторых вероятных лавовых миров прежде всего магмой. Вместо этого модели, рассматривающие горячие планеты с относительно низкой плотностью, должны учитывать атмосферу или меньшую долю массы ядра в дополнение к магме».
Так что это сложно, и хотя здесь есть некоторые ответы, на самом деле это приводит к большему количеству вопросов.
«Эта работа, представляющая собой сочетание наук о Земле и астрономии, по сути открывает новые захватывающие вопросы о лавовых мирах», — сказал Боли.
Земля в конечном итоге остыла, и по мере охлаждения она выделяла летучие вещества из магмы и образовывала атмосферу. Теперь расплавленным остается только его ядро, а расплавленное ядро делает жизнь возможной, создавая нашу защитную магнитосферу. Может ли нечто подобное произойти на некоторых планетах с магматическим океаном?
Большинство океанов магмы, которые мы обнаруживаем, являются USP и расположены очень близко к своим звездам. Эти планеты, вероятно, никогда не остынут настолько, чтобы затвердеть, если сохранят близкое расстояние друг от друга. Но наши методы обнаружения ориентированы на планеты, расположенные близко к их звездам. По мере того, как методы поиска планет совершенствуются, мы можем найти молодые магматические планеты дальше от своих звезд, возможно, в обитаемых зонах. Или, по какой-то причине, некоторые из USP океана магмы могут мигрировать наружу.
Почти половина каменистых планет, которые мы обнаружили вокруг других звезд, могут удерживать магму на своей поверхности. Так что только в Млечном Пути, вероятно, существуют миллиарды таких планет. Вполне возможно, что один из них, вероятно, еще не обнаруженный, очень похож на Землю, с большим количеством углерода и кислорода, изолированных в ее магме.
Вполне возможно, что астрономы однажды обнаружат среди этих лавовых миров аналог Земли, но тот, который отстает на миллиарды лет.
