Деякі з найгарячіших відомих планет виглядають надто розпеченими, щоб на них могла існувати вода. Проте їхні атмосфери раз у раз подають недвозначні хімічні сигнали про наявність води — іноді у значних кількостях. Нове дослідження пропонує несподіване пояснення: глибоко всередині таких світів розплавлена порода може реагувати з воднем, безпосередньо утворюючи воду. Фактично ці планети можуть «кувати» свої океани зсередини, а не отримувати їх із давніх запасів льоду.
Під керівництвом Гаррісона Горна з Університету штату Аризона (ASU) дослідники зосередилися на субнептунах — планетах середніх розмірів, більших за Землю, але менших за Нептун, які часто мають щільні водневі атмосфери. Оскільки підтверджених екзопланет цього типу вже тисячі, розуміння джерел їхньої води може радикально змінити уявлення про те, наскільки поширеними є океанічні світи.
Парадокс води на гарячих планетах
Щоб розв’язати цю загадку, команда звернулася до експериментів за надвисокого тиску, які імітують глибокі надра воднево-багатих екзопланет. Класичні моделі стверджують, що багаті на воду світи формуються далеко від своїх зір, де лід може конденсуватися, а потім мігрують ближче. Однак для субнептунів, які нині обертаються навколо своїх зірок за лічені дні, така міграційна історія виглядає малопереконливою. Вона не пояснює ані їхнього виживання, ані великих внутрішніх запасів води.
Одна з популярних гіпотез припускала, що у далекому минулому ці світи зазнали бомбардування крижаними кометами й астероїдами, які й доставили воду. «Насправді немає реалістичного сценарію, за якого таку величезну кількість води могли б принести комети», — зазначив Горн.
Відтворення інопланетної планети в лабораторії
Горн та його колеги почали з крихітних зразків породи, підібраних так, щоб імітувати силікатні мінерали, з яких складається значна частина надр Землі. Ці зразки помістили в алмазну ковадлу — пристрій, що стискає матеріал між надтвердими наконечниками, створюючи тиск, подібний до планетарного.
Потім камеру заповнили воднем, який оточив породу. Лазери нагріли зразок доти, доки він не розплавився й перетворився на крихітну краплю магми. На межі між розплавленою породою та воднем почали утворюватися молекули води в таких кількостях, що в масштабах цілої планети вони могли б відповідати обсягам океанів. Експерименти показали, що реакції між воднем і породою здатні створювати вміст води до кількох десятків відсотків за масою зразка. Це у 10–1000 разів більше, ніж прогнозували прості моделі за низького тиску.
Океани, народжені з каменю
Всередині субнептуна сила тяжіння стискає газ у глибоку водневу оболонку — товстий шар, що складається переважно з водню та вкриває кам’янисте ядро. Ця оболонка настільки ефективно утримує тепло, що ядро може залишатися розплавленим протягом мільярдів років. Це дає змогу «водотворній» хімії працювати дуже довго. У такій розплавленій зоні, за очікуваннями вчених, існує магматичний океан — глибокий шар рідкої породи, що повільно циркулює.
Водень може проникати в цю магму, реагувати з киснем, вивільненим із мінералів, і створювати матеріал, збагачений водою, який піднімається в оболонку. Якщо частина водню згодом втрачається в космосі, а вода залишається, планета може еволюціонувати з газового світу в більш щільний. В екстремальних випадках внутрішня вода здатна утворити океани, що становлять значну частину маси планети.
Як еволюціонують субнептуни
Теорії формування планет раніше пов’язували водяні субнептуни з орбітами за «сніговою лінією» — межею в протопланетному диску, де вода замерзає в лід. Результати Горна показують, що близькі до зірок світи можуть створювати власну воду, не змінюючи орбіти, послаблюючи зв’язок між складом планети та місцем її народження.
Спостереження свідчать, що субнептуни трапляються частіше, ніж більші за них нептуни. Також помітний поділ між компактними кам’янистими світами та планетами з товстішими атмосферами. Внутрішнє виробництво води може пояснити цю картину: «роздуті» планети можуть бути проміжною стадією між воднево-багатими субнептунами та світами, де домінує вода.
Одним із можливих результатів є поява так званих гікеанських світів (hycean worlds) — планет, повністю вкритих океанами та з водневою атмосферою, які потенційно можуть бути придатними для життя. Запропонований механізм пояснює шлях до формування таких планет без необхідності їхнього походження з далеких крижаних регіонів.
Переосмислення походження океанічних планет
Втім, не кожен близький до зорі субнептун перетвориться на спокійний океанічний світ, адже інтенсивне випромінювання може з часом знищити і водень, і навіть воду. Деякі планети зрештою можуть стати надрозпеченими паровими світами або оголеними кам’яними ядрами — усе залежить від активності їхніх світил. За сприятливих умов ця хімія здатна продукувати воду протягом мільярдів років, постійно оновлюючи її під час контакту магми з воднем.
«По суті, такі планети можуть бути власними “двигунами виробництва води”», — зазначив геохімік Квентін Вільямс з Каліфорнійського університету в Санта-Круз (UCSC).
Майбутні телескопи, здатні вимірювати склад газів в атмосферах субнептунів, перевірять, чи справді ці світи мають товсті водяні шари, передбачені лабораторними експериментами. Якщо це підтвердиться, деякі з найдивніших відомих нам планет можуть виявитися одними з найперспективніших місць у пошуках океанів, придатних для життя.
Дослідження опубліковане в журналі Nature.