Вода на экзопланетах может быть заперта в их раскаленных ядрах. И это хорошо для жизни

Когда планеты рождаются, притягивая обломки и сталкиваясь с другими протопланетами, они становятся настолько горячими, что вся их поверхность покрывается океаном расплавленной породы. Когда магма остывает, образуются богатая силикатами мантия и твердая кора. А в центре планеты формируется ядро из расплавленного железа, по мере того, как более тяжелые элементы опускаются к центру планеты.

Среди материалов, из которых построены планеты, есть и вода. Сначала она растворена в океане магмы. Предыдущие исследования показали, что молодые планеты, схожие по размеру и массе с Землей, и, следовательно, с относительно умеренными внутренними давлениями и температурами, способны стягивать растворенную в магме воду в свое ядро. Было показано, что Земля содержит по крайней мере в десятки раз больше воды внутри, чем на поверхности в виде знакомых нам океанов.

«Большая часть железа изначально содержится в горячем магматическом супе в виде капель», — говорит Дорн. Вода в магме соединяется с этими железными каплями, когда они погружаются к ядру.

Это нормальный процесс для планет размером с Землю, но многие каменистые экзопланеты, которые открывают и наблюдают астрономы, намного больше Земли. Это так называемые суперземли. Они могут иметь массу, в 10 раз превышающую массу нашей планеты, но пока не ясно, могут ли такие миры с их более экстремальными внутренними условиями вытягивать воду из магматического океана, как это произошло на Земле.

Используя компьютерное моделирование, чтобы понять, как вода взаимодействует с расплавленной поверхностью магмы молодой, горячей каменистой планеты, Дорн вместе с исследователями Хайяном Ло и Цзе Дэном из Принстонского университета ответила на этот вопрос, обнаружив, что даже на суперземлях большая часть воды планеты может оказаться внутри нее. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.

«Чем больше планета и чем больше ее масса, тем быстрее вода уходит с капельками железа и интегрируется в ядро», — говорит Дорн. — «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 H20, а присутствует в виде водорода и кислорода».

Эта вода настолько глубоко заперта в ядре, что она бесполезна для жизни на поверхности. Однако она может помочь обитаемости другими способами.

Измеряя массу и радиус экзопланет мы можем вычислить ее плотность (разделив массу планеты на ее объем, который рассчитывается из ее радиуса). Некоторые экзопланеты имеют плотность, которая подразумевает, что значительная часть, возможно, до четверти их массы, состоит из воды.

Предполагалось, что эта вода присутствует на их поверхности в виде океана глубиной в десятки километров. Но если новое исследование верно, то на самом деле большая часть воды будет находиться внутри планеты, и водные миры с глубокими мировыми океанами могут быть редки. Хотя вода необходима для жизни, планета, на поверхности которой есть только вода (и нет суши), может быть для жизни непригодна. Например, питательные вещества, необходимые для жизни, смываются в море с суши, и этот же процесс стока является важной частью углеродного цикла, который поддерживает стабильный планетарный климат.

Предполагаемые «гисейские» миры («Гисейский» от англ. слова Hycean, которое объединяет hydrogen (водород) и ocean (океан)) — заслуживают дальнейшего изучения, считает Дорн. Гисейские планеты имеют богатую водородом атмосферу, но до сих пор считалось, что на их поверхности очень глубокие океаны, а это может быть и не так.

Экзопланета TOI-270d, которая вращается вокруг красного карлика в 73-х световых годах от Земли и имеет массу в 4,78 раза больше массы нашей планеты, представляет большой интерес для Дорн и ее команды, изучавшей атмосферу TOI-270d с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба и обнаружившей метан, углекислый газ и водяной пар.

«Там были собраны доказательства реального взаимодействий воды и с океаном магмы, и ее недрами, и с атмосферой», — говорит Дорн.

Способность воды просачиваться вглубь планеты, а не скапливаться на поверхности, образуя очень глубокие океаны, означает, что в галактике существует еще больший потенциал для существования пригодных для жизни планет, на которых есть и суша, и жидкая вода.