Вчені з під керівництвом Швейцарської вищої технічної школи Цюриха дійшли висновку, що до 95% води на екзопланеті може бути замкнене всередині її залізного ядра. Таке уявлення про властивості кам’янистих планет змінює те, що ми знаємо про водні світи, і потенційно робить їх ще більш придатними для життя, ніж ми думали.
Для розвитку життя на планеті необхідна вода, але необхідна і суша.
“Планети набагато багатші на воду, ніж передбачалося раніше”, – сказала Керолайн Дорн, професорка екзопланет в ETH Zurich у Швейцарії.
Коли планети народжуються, притягаючи уламки і стикаючись з іншими протопланетами, вони стають настільки гарячими, що вся їхня поверхня покривається океаном розплавленої породи. Коли магма остигає, утворюються багата на силікати мантія і тверда кора. А в центрі планети формується ядро з розплавленого заліза, у міру того, як важчі елементи опускаються до центру планети.
Кам’яниста планета, на поверхні якої є океан магми, може втягувати велику кількість води у своє ядро.
Серед матеріалів, з яких збудовані планети, є й вода. Спочатку вона розчинена в океані магми. Попередні дослідження показали, що молоді планети, схожі за розміром і масою на Землю, а отже, з відносно помірними внутрішніми тисками й температурами, здатні стягувати розчинену в магмі воду у своє ядро. Було показано, що Земля містить принаймні в десятки разів більше води всередині, ніж на поверхні у вигляді знайомих нам океанів.
“Велика частина заліза спочатку міститься в гарячому магматичному супі у вигляді крапель”, – каже Дорн. Вода в магмі з’єднується з цими залізними краплями, коли вони занурюються до ядра.
Це нормальний процес для планет розміром із Землю, але багато кам’янистих екзопланет, які відкривають і спостерігають астрономи, набагато більші за Землю. Це так звані суперземлі. Вони можуть мати масу, що в 10 разів перевищує масу нашої планети, але поки що не зрозуміло, чи можуть такі світи з їхніми екстремальнішими внутрішніми умовами витягати воду з магматичного океану, як це сталося на Землі.
Вода всередині та зовні
Планета з атмосферою з водяної пари. Реконструкція.
Використовуючи комп’ютерне моделювання, щоб зрозуміти, як вода взаємодіє з розплавленою поверхнею магми молодої, гарячої кам’янистої планети, Дорн разом із дослідниками Гаяном Ло та Цзе Деном із Принстонського університету відповіла на це запитання, виявивши, що навіть на суперземлях більша частина води планети може опинитися всередині неї. Роботу опубліковано в журналі Nature Astronomy.
“Що більша планета і що більша її маса, то швидше вода йде з крапельками заліза й інтегрується в ядро”, – каже Дорн. – “За певних обставин залізо може поглинати в 70 разів більше води, ніж силікати. Однак через величезний тиск у ядрі вода більше не набуває форми молекул H20, а присутня у вигляді водню та кисню”.
Реконструкція. TOI-270 – зірка М-типу. Відстань до Землі 73 світлових роки. Батьківська зірка планети TOI-270 c.
Гісейські світи
Ця вода настільки глибоко замкнена в ядрі, що вона марна для життя на поверхні. Однак вона може допомогти населеності іншими способами.
Вимірюючи масу і радіус екзопланет, ми можемо обчислити їхню щільність (розділивши масу планети на її об’єм, який розраховується з її радіуса). Деякі екзопланети мають щільність, яка передбачає, що значна частина, можливо, до чверті їхньої маси, складається з води.
Передбачалося, що ця вода присутня на їхній поверхні у вигляді океану глибиною в десятки кілометрів. Але якщо нове дослідження правильне, то насправді більша частина води перебуватиме всередині планети, і водні світи з глибокими світовими океанами можуть бути рідкісними. Хоча вода необхідна для життя, планета, на поверхні якої є тільки вода (і немає суходолу), може бути для життя непридатна. Наприклад, поживні речовини, необхідні для життя, змиваються в море із суходолу, і цей самий процес стоку є важливою частиною вуглецевого циклу, який підтримує стабільний планетарний клімат.
Передбачувані “гісейські” світи (“Гісейський” від англ. слова Hycean, яке об’єднує hydrogen (водень) і ocean (океан)) – заслуговують на подальше вивчення, вважає Дорн. Гісейські планети мають багату на водень атмосферу, але досі вважалося, що на їхній поверхні дуже глибокі океани, а це може бути й не так.
TOI-270d
Реконструкція. TOI-270 c – нептуноподібна екзопланета, що обертається навколо зірки М-типу. Про її відкриття було оголошено 2019 року.
Екзопланета TOI-270d, яка обертається навколо червоного карлика в 73-х світлових роках від Землі та має масу в 4,78 раза більшу за масу нашої планети, представляє великий інтерес для Дорн та її команди, яка вивчала атмосферу TOI-270d за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба та виявила метан, вуглекислий газ і водяну пару.
Здатність води просочуватися вглиб планети, а не накопичуватися на поверхні, утворюючи дуже глибокі океани, означає, що в галактиці є ще більший потенціал для існування придатних для життя планет, на яких є і суша, і рідка вода.