Экзопланеты могут содержать больше воды, чем считалось ранее

Мы знаем, что Земля имеет железное ядро, окруженное мантией из силикатных пород, и воду (океаны) на ее поверхности. До сегодняшнего дня наука использовала эту простую модель планеты для изучения экзопланет – планет, вращающихся вокруг другой звезды за пределами нашей Солнечной системы.

“Только в последние годы мы начали понимать, что планеты устроены гораздо сложнее, чем мы думали”, – говорит Каролина Дорн, профессор кафедры экзопланет в ETH Zurich.

Большинство известных сегодня экзопланет расположены вблизи своей звезды. Это означает, что они состоят в основном из горячих миров с океанами расплавленной магмы, которые еще не успели остыть, чтобы сформировать твердую мантию из силикатной породы, как на Земле. Вода очень хорошо растворяется в этих океанах магмы – в отличие, например, от углекислого газа, который быстро выделяется и поднимается в атмосферу.

Железное ядро находится под расплавленной мантией из силикатов. Как же распределяется вода между силикатами и железом?

Именно это и выяснил Дорн в сотрудничестве с Хайяном Луо и Цзе Денгом из Принстонского университета с помощью модельных расчетов, основанных на фундаментальных законах физики. Свои результаты исследователи представили в журнале Nature Astronomy.

Суп из магмы с водой и железом

Чтобы объяснить полученные результаты, Дорну приходится вдаваться в некоторые подробности: “Для формирования железного ядра требуется время. Большая часть железа первоначально содержится в горячем магматическом бульоне в виде капель”. Вода, содержащаяся в этом супе, соединяется с этими каплями железа и опускается вместе с ними в ядро. “Капельки железа ведут себя как лифт, который вода опускает вниз”, – объясняет Дорн.

До сих пор такое поведение было известно только для умеренных давлений, подобных тем, что преобладают на Земле. Не было известно, что происходит в случае более крупных планет с более высоким внутренним давлением.

“Это один из ключевых результатов нашего исследования”, – говорит Дорн. Чем больше планета и чем больше ее масса, тем больше воды стремится попасть в капли железа и интегрироваться в ядро”. При определенных обстоятельствах железо может поглотить в 70 раз больше воды, чем силикаты. Однако из-за огромного давления в ядре вода больше не принимает форму молекул _H2O, а присутствует в виде водорода и кислорода”.

Большое количество воды находится и внутри Земли

Это исследование было вызвано изучением содержания воды на Земле, которое дало удивительный результат четыре года назад: Океаны на поверхности Земли содержат лишь малую часть всей воды нашей планеты. Содержимое более 80 океанов Земли может быть скрыто в ее недрах. Это показывают симуляции, рассчитывающие поведение воды в условиях, подобных тем, которые преобладали, когда Земля была молодой. Соответствующим образом согласуются эксперименты и сейсмологические измерения.

Новые данные о распределении воды на планетах имеют драматические последствия для интерпретации данных астрономических наблюдений. Используя свои телескопы в космосе и на Земле, астрономы при определенных условиях могут измерить массу и размер экзопланеты. На основе этих расчетов они строят диаграммы “масса-радиус”, которые позволяют сделать выводы о составе планеты. Если при этом – как это было до сих пор – игнорировать растворимость и распределение воды, то объем воды может быть сильно занижен – до десяти раз.

“Планеты гораздо более богаты водой, чем предполагалось ранее”, – говорит Дорн.

Понимание истории эволюции

Распределение воды также важно, если мы хотим понять, как формируются и развиваются планеты. Вода, опустившаяся в ядро, остается там навсегда. Однако вода, растворенная в магматическом океане мантии, может терять газ и подниматься на поверхность при остывании мантии.

“Поэтому если мы находим воду в атмосфере планеты, то в ее недрах ее, вероятно, гораздо больше”, – объясняет Дорн.

Именно это и пытается найти космический телескоп Джеймса Уэбба, который вот уже два года отправляет данные из космоса на Землю. Он способен отслеживать молекулы в атмосфере экзопланет.

“Напрямую можно измерить только состав верхних слоев атмосферы экзопланет”, – объясняет ученый. “Наша группа хочет установить связь между атмосферой и внутренними глубинами небесных тел”.

Особенно интересны новые данные об экзопланете под названием TOI-270d.

“Там были собраны доказательства реального существования подобных взаимодействий между океаном магмы в ее недрах и атмосферой”, – говорит Дорн, которая участвовала в подготовке соответствующей публикации о TOI-270d. В ее список интересных объектов, которые она хотела бы изучить более тщательно, также входит планета K2-18b, которая попала в заголовки газет из-за вероятности существования на ней жизни.

Являются ли водные миры жизнеобеспечивающими?

Вода – одно из необходимых условий для развития жизни. Долгое время существовали предположения о возможности обитаемости суперземель с большим количеством воды, то есть планет с массой, в несколько раз превышающей массу Земли, и поверхностью, покрытой глубоким глобальным океаном. Тогда расчеты показали, что слишком большое количество воды может быть враждебно для жизни. Аргумент заключался в том, что в таких водных мирах слой экзотического льда высокого давления будет препятствовать обмену жизненно важными веществами на границе между океаном и мантией планеты.

Новое исследование пришло к другому выводу: Планеты с глубокими водными слоями, скорее всего, являются редким явлением, поскольку большая часть воды на суперземлях находится не на поверхности, как предполагалось до сих пор, а заперта в ядре. Это позволяет ученым предположить, что даже планеты с относительно высоким содержанием воды могут иметь потенциал для развития пригодных для жизни условий, подобных земным. Как заключают Дорн и ее коллеги, их исследование, таким образом, проливает новый свет на потенциальное существование миров с избытком воды, которые могли бы поддерживать жизнь.