Ученые выяснили, как экзопланеты создают собственные океаны в своих недрах

Астрономы раскрыли загадку существования богатых водой экзопланет, которые, согласно предыдущим теориям, вообще не должны были иметь столь значительных запасов воды. Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature, эти таинственные водные миры могут самостоятельно создавать свои океаны благодаря химическим реакциям в своих недрах. Это открытие бросает вызов фундаментальным представлениям о формировании планет и о том, где во Вселенной может существовать вода, потенциально меняя понимание учеными планетарной эволюции и поиска обитаемых миров за пределами нашей Солнечной системы.

Исследование, проведенное учеными из Университета Аризоны в сотрудничестве с командами из Открытого университета Израиля и Чикагского университета, было сосредоточено на так называемых суб-Нептунах — планетах, которые больше Земли, но меньше Нептуна. Эти миры являются одними из самых распространенных типов экзопланет, обнаруженных миссией NASA «Кеплер». Ученые обычно моделируют эти планеты как имеющие каменные ядра, окруженные толстыми оболочками из газообразного водорода или воды. Такое строение логично для планет, которые формируются далеко от своих звезд, за так называемой «линией снега», где температуры достаточно низки для того, чтобы вода замерзала в лед. Однако наблюдения выявили множество суб-Нептунов, вращающихся гораздо ближе к своим звездам, где условия должны быть слишком горячими для существования воды на поверхности.

Предыдущие теории не могли адекватно объяснить обилие воды на этих экзопланетах. Одна из теорий предполагала, что кометы и астероиды могут доставлять воду на планетарные поверхности при столкновениях, однако наблюдаемые количества на многих суб-Нептунах значительно превышают то, что могло бы быть доставлено таким образом. Другая теория постулировала, что богатые водой планеты должны формироваться во внешних областях своих звездных систем и затем мигрировать внутрь. Новое исследование предлагает иное объяснение: планеты производят воду внутри себя посредством реакций между своими водородными атмосферами и расплавленными каменными ядрами.

Используя алмазные наковальни и импульсный лазерный нагрев в синхротронном комплексе Advanced Photon Source Чикагского университета, исследовательская группа воссоздала экстремальные условия, существующие на границе между каменным ядром суб-Нептуна и его водородной оболочкой. Эти эксперименты подвергли образцы оливина, фаялита и кремнезема — распространенных породообразующих минералов — давлению до 10 000 раз выше земного атмосферного и температурам, превышающим 3000 градусов Кельвина. В этих условиях силикатные минералы расплавились в магму, а затем высвободившиеся из расплавленной породы атомы кислорода вступили в реакцию с водородом из окружающей атмосферы, в результате чего образовалось значительное количество воды. Исследователи также обнаружили, что кремний из пород образует сплавы с железом и создает гидриды кремния, что дополнительно способствует реакциям, производящим воду.

Согласно расчетам команды, эти реакции могут генерировать концентрации воды, достаточные для превращения богатых водородом миров в богатые водой в течение миллиардов лет. Полученные данные позволяют предположить, что богатые водородом суб-Нептуны могут фактически быть предшественниками богатых водой планет, представляя разные этапы единого эволюционного процесса, а не принципиально разные типы миров. Это открытие имеет важные последствия для понимания того, насколько распространены планеты, содержащие воду, в нашей галактике. Если суб-Нептуны могут самостоятельно производить свою собственную воду независимо от того, где они сформировались, водные миры могут быть гораздо более многочисленными, чем считалось ранее. Это расширяет потенциал для поиска планет с условиями, подходящими для жизни, поскольку вода считается необходимой для биологического развития.