Залізне ядро, силікатна мантія, кора, а зверху – океани. Так улаштована Земля. Довгий час цю модель переносили на планети інших зіркових систем. Але картина виявилася набагато складнішою. Вчені зі Швейцарії та США змоделювали розподіл води в надрах суперземель та субнептунів та з’ясували, що основний її обсяг знаходиться зовсім не на поверхні.
Астрономи відкривають переважно планети, розташовані дуже близько до своєї зірки. Це так звані лавові світи, які не охолонули до кінця, щоб сформувати тверду милию силікатну, як у Землі. Вода добре розчиняється в магматичних розплавах, на відміну, наприклад, від діоксиду вуглецю, який швидко виділяється і піднімається в атмосферу. Що з нею відбувається далі?
«Для утворення залізного ядра потрібен час. Велика частка металу спочатку міститься у магматичному розплаві у формі крапель. Вода приєднується до них і опускається до ядра. Залізні краплі виступають як ліфт для води», – пояснила Кароліна Дорн з Інституту ядерної фізики та астрофізики при Швейцарській вищій технічній школі Цюріха.
Разом із колегами з Прінстонського університету (США) вона опублікувала статтю в журналі Nature Astronomy, в якій змоделювала поведінку води в надрах планет.
Нещодавно дослідники показали, що більша частина води міститься в ядрі Землі: за одними даними, 37 відсотків, за іншими – до 73. У води великий коефіцієнт поділу між залізом і силікатами в умовах формування ядра (тиск – до 135 гігапаскалів, температура – 4200 кельвінів).
Суперземлі та субнептуни набагато масивніші, тому ядро розвивається при значно більшому тиску і температурі: до 1400 гігапаскалів і 14 000 кельвінів відповідно. Щоб оцінити об’єм води, захованої в надрах, автори вирахували коефіцієнт поділу, вдавшись до моделювання молекулярної динаміки разом із термодинамічним інтегруванням без опори на експериментальні дані, виходячи лише із законів природи. Розрахунки провели для чотирьох сценаріїв планетних надр.
З’ясувалося, що у планетах у шість чи менше земних мас вода зберігається переважно у мантії, а більш масивних (їх відкрито більшість) — в ядрі. Хоча ядро за обсягом менше мантії, за певних умов залізо може абсорбувати у 70 разів більше води, ніж силікати. З огляду на величезний тиск у ядрі вода не утворює молекули H2O, а перебуває як водень і кисень. Наприклад, планета в дев’ять земних мас при рівноважній температурі 1000 кельвінів з масовою часткою води 50 відсотків більше половини її зберігатиме в ядрі, 41 відсоток — у мантії, лише три відсотки — на поверхні.
Нова інформація про розподіл води у планетах безпосередньо впливає на інтерпретацію астрономічних даних. Спостереження за допомогою телескопів дозволяють оцінювати масу та розмір планет. Але за розрахунків зазвичай опускають воду. Її кількість може бути занижена у десятки разів. Як випливає з нового дослідження, планети набагато більш насичені водою, ніж вважалося.
Цей підхід, наприклад, може пояснити надзвичайно низьку щільність планети 55 Раку e, радіус якої майже вдвічі більший за земний. Якщо вода з поверхні та з мантії втрачена, то ядро все ще значно збагачене нею. З цього випливає, що планета сформувалася із багатого водою матеріалу за сніговою лінією.