Океанические планеты могут возникать в результате реакции горных пород с плотной водородной атмосферой
Как планеты получают воду? Молодой мир может подвергнуться бомбардировке ледяными кометами и насыщенными водой астероидами, или он может сформироваться достаточно далеко от своей звезды, чтобы вода могла выпадать в виде льда. Однако некоторые экзопланеты ставят астрономов в тупик: эти инопланетные миры вращаются на близком расстоянии от своих раскаленных звезд, но каким-то образом содержат значительное количество воды.
Новая серия лабораторных экспериментов, опубликованная в Nature, предлагает обманчиво простое решение этой загадки: эти планеты сами производят воду. Используя алмазные наковальни и импульсные лазеры, исследователи смогли воссоздать высокие температуры и давление, существующие на границе между водородной атмосферой этих планет и расплавленным каменным ядром. Вода образовалась в результате нагревания минералов в водородном супе.
Поскольку такой геологический котел теоретически может кипеть и бурлить миллиарды лет, этот механизм может даже создавать на адски горячих планетах водоемы, а значит, океанические миры и потенциально пригодные для жизни планеты среди них могут быть более распространенными, чем считалось ранее.
Полученные данные имеют особое значение для так называемых субнептунов: экзопланет, диаметр которых в два-четыре раза больше диаметра Земли. Считается, что многие из них имеют толстую водородную или водяную атмосферу, окружающую каменно-металлическое ядро. Из 6 тысяч известных экзопланет субнептуны встречаются чаще всего.
Вода на субнептунах, вращающихся далеко от своей звезды, легко объяснима, поскольку они могли сформироваться в холодных глубинах звездной системы из материала, в котором уже был лед.
Но некоторые наблюдаемые субнептуны вращаются очень близко к своим звездам, а их размеры, массы и плотность указывают на то, что они настолько насыщены водой, что «не существует разумного сценария, при котором такое количество воды могло бы быть доставлено кометами», — говорит Харрисон Хорн (Harrison Horn), физик из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и ведущий автор нового исследования.
Согласно одному из предложенных объяснений, эти субнептуны, обожженные звездами, сформировались на богатых льдом окраинах своих планетных систем, а затем мигрировали ближе к своим звездам. Но в этом случае почему планета не падает на звезду, а продолжает двигаться по спирали внутрь?
Другая гипотеза заключается в том, что эти планеты сами производят воду. Считается, что в каменистых ядрах субнептунов много кислорода. Если бы этот кислород мог вступать в реакцию с водородом в атмосфере, то образовалось бы огромное количество воды. Но есть одна загвоздка: водород плохо вступает в реакцию с горными породами.
Однако это правило может быть нарушено, если каменистое ядро субнептуна частично или полностью расплавлено и удерживается в таком состоянии плотной водородной атмосферой, которая действует как колоссальное нагретое одеяло. Как только каменистые минералы ядра расплавятся и превратятся в магму, ранее заключенный в них кислород сможет вступить в реакцию с атмосферным водородом и образовать воду.
«Если снаружи у вас огромная водородная оболочка, — говорит Уильямс, — то всё, что находится внутри, скорее всего, жидкое».
Предыдущие исследования намекали на такую возможность, но команда Хорна хотела выяснить, может ли эта реакция привести к образованию большого количества воды, а не просто к ее выделению. Чтобы это выяснить, они поместили образцы горных пород в алмазную наковальню, которая может сжимать объекты под невероятно высоким давлением, как, например, под водородным небом субнептуна.
Затем исследователи заполнили камеру, в которой находилась сжатая горная порода, водородом и расплавили зерна в магму с помощью импульсных лазеров.
Хорн и его коллеги ожидали увидеть некоторое количество воды, но, к их удивлению, исследователи обнаружили в 10–1000 раз больше воды, чем предполагалось ранее. А поскольку субнептун может сохранять свое водородное «одеяло» в течение многих эпох, эксперименты показывают, что такая экзопланета может поддерживать свое ядро в расплавленном состоянии столько, сколько потребуется для формирования океанов.
Есть несколько оговорок: эффективность образования воды на каждом субнептуне будет разной, а некоторые из них вращаются так близко к своим звездам, что интенсивная солнечная активность со временем может лишить их атмосферы, сократив количество водорода, доступного для создания внутренних водных ресурсов.
Планета, на которой образуется океан, может быть слишком горячей, чтобы вода оставалась жидкой. В итоге вы можете получить мир, похожий на апокалиптическую сауну. Но при более низких температурах вы можете получить оазис — каменистую планету с богатой водой атмосферой и морями, омывающими ее берега.
Это обнадеживающая идея для астрономов, которые пытаются найти еще одну планету, похожую на Землю. С другой стороны, если сохранится достаточное количество первоначальной водородной атмосферы, некоторые субнептуны могут превратиться в так называемые гиановые миры: океанические сферы, покрытые водородом, которые также могут стать перспективными местами для зарождения жизни.
В любом случае это исследование открывает новые горизонты. Где-то далеко от Земли звездный свет может проникать сквозь атмосферу планеты и отражаться от поверхности океана, который образовался совершенно не так, как все, что известно в Солнечной системе.
«Вы можете получить воду, — говорит Уильямс, — с помощью механизма, который большинство астрономов изначально не рассматривали».
Вода в космосе представляет особый интерес для исследователей. Недавно ученые обнаружили возможные следы океана под поверхностью Марса.