|
Экзопланеты могут содержать больше воды, чем считалось
|
|
|
|
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 планетарную модель для исследования экзопланет — планет, которые вращаются вокруг другой звезды за пределами нашей Солнечной системы.
|
|
|
|
"Только в последние годы мы начали понимать, что планеты гораздо сложнее, чем мы думали", - говорит Кэролайн Дорн, профессор по экзопланетам в ETH Zurich.
|
|
|
|
Большинство известных на сегодняшний день экзопланет расположены близко к своим звездам. Это означает, что они в основном состоят из горячих миров с океанами расплавленной магмы, которые еще не остыли, чтобы образовать твердую мантию из силикатных пород, подобных Земной. 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 из силикатов. Как же распределяется вода между силикатами и железом?
|
|
|
Это именно то, что Дорн исследовал в сотрудничестве с Хайян Луо и Цзе Денгом из Принстонского университета с помощью модельных расчетов, основанных на фундаментальных законах физики. Исследователи представили свои результаты в журнале Nature Astronomy.
|
|
Магматический суп с водой и железом
|
|
|
|
Чтобы объяснить результаты, Дорну приходится вдаваться в подробности: "Для формирования железного ядра требуется время. Значительная часть железа изначально содержится в горячем магматическом бульоне в виде капель". Вода, содержащаяся в этом супе, соединяется с этими капельками железа и оседает вместе с ними в сердцевине. "Капли железа ведут себя как подъемная сила, которую вода переносит вниз", - объясняет Дорн.
|
|
|
|
До сих пор было известно, что такое поведение характерно только для умеренных давлений, подобных тем, которые преобладают на Земле. Было неизвестно, что происходит в случае больших 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, как правило, соединяется с каплями железа и интегрируется в ядро. При определенных обстоятельствах железо может поглощать 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 также находится внутри Земли
|
|
|
|
Это исследование было инициировано исследованиями содержания воды на Земле, которые четыре года назад дали неожиданный результат: океаны на поверхности Земли содержат лишь малую часть общего объема воды на нашей планете. Содержание более 80% воды в океанах Земли может быть скрыто в ее недрах. Это подтверждается результатами моделирования поведения воды в условиях, подобных тем, которые преобладали во времена молодости Земли. Соответственно, эксперименты и сейсмологические измерения совместимы.
|
|
|
|
Новые открытия, касающиеся распределения воды на планетах, имеют серьезные последствия для интерпретации данных астрономических наблюдений. Используя свои телескопы в космосе и на Земле, астрономы могут при определенных условиях измерить массу и размер экзопланеты. Они используют эти расчеты для составления диаграмм соотношения массы и радиуса, которые позволяют сделать выводы о составе планеты. Если при этом — как это было до сих пор — не учитывать растворимость и распределение воды, объем воды может быть значительно занижен, вплоть 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 проникла в ядро, остается там навсегда. Однако вода, растворенная в магматическом океане мантии, может терять газ и подниматься на поверхность во время охлаждения мантии.
|
|
|
|
"Таким образом, если мы обнаруживаем воду в атмосфере планеты, то, вероятно, в ее недрах ее гораздо больше", - объясняет Дорн.
|
|
|
|
Именно это пытается выяснить космический телескоп Джеймса Уэбба, который в течение двух лет отправлял данные из космоса на Землю. Он способен отслеживать молекулы в атмосфере экзопланет.
|
|
|
|
"Непосредственно можно измерить только состав верхних слоев атмосферы экзопланет", - объясняет ученый. "Наша группа хочет установить связь между атмосферой и внутренними слоями небесных тел".
|
|
|
|
Особенно интересны новые данные об экзопланете под названием TOI-270d.
|
|
|
|
"Там были собраны доказательства реального существования таких взаимодействий между океаном магмы в его недрах и атмосферой", - говорит Дорн, который принимал участие в соответствующей публикации о TOI-270d. В ее список интересных объектов, которые она хотела бы изучить более внимательно, также входит планета K2-18b, которая попала в заголовки газет из-за вероятности существования на ней жизни.
|
|
В конце концов, водные миры поддерживают жизнь?
|
|
|
|
Вода является одним из необходимых условий для развития жизни. Долгое время ходили слухи о потенциальной обитаемости богатых водой суперземель, то есть планет с массой, во много раз превышающей земную, и с поверхностью, покрытой глубоким мировым океаном. Затем расчеты показали, что слишком большое количество воды может быть враждебно для жизни. Аргумент заключался 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 слоями воды, вероятно, являются редким явлением, поскольку большая часть воды на суперземлях находится не на поверхности, как предполагалось до сих пор, а в ядре. Это заставляет ученых предположить, что даже планеты с относительно высоким содержанием воды могут обладать потенциалом для создания условий, подобных земным. Как заключают Дорн и ее коллеги, их исследование, таким образом, проливает новый свет на потенциальное существование богатых водой миров, которые могли бы поддерживать жизнь.
|
|
|
|
Источник
|
