Инопланетные миры могут быть способны производить собственную воду

Фото из открытых источников

От обеспечения жизни в её нынешнем виде до смазывания геологического механизма тектоники плит, вода может оказывать огромное влияние на поведение планет. Но как планеты получают воду? Зарождающийся мир может, например, подвергнуться бомбардировке ледяными кометами и затопленными водой астероидами, или же он может сформироваться достаточно далеко от своей звезды, чтобы вода могла выпадать в виде льда. Однако некоторые экзопланеты представляют собой загадку для астрономов: инопланетные миры, вращающиеся на близком расстоянии от своих раскалённых родных звёзд, но при этом каким-то образом, по-видимому, содержащие значительное количество воды.

Новая серия лабораторных экспериментов, опубликованная в журнале Nature, открыла обманчиво простое решение этой загадки: эти планеты производят собственную воду. Используя алмазные наковальни и импульсные лазеры, исследователям удалось воссоздать высокие температуры и давления, существующие на границе между водородной атмосферой этих планет и расплавленными каменистыми ядрами. Вода образовалась из минералов, сваренных в водородном супе.

Поскольку такой геологический котёл теоретически может кипеть и бурлить миллиарды лет, этот механизм может даже обеспечить невероятно горячие планеты водоёмами. Это означает, что океанические миры, и потенциально обитаемые среди них, могут быть более распространены, чем уже предполагали учёные. «По сути, они могут быть сами себе водяными двигателями», — говорит Квентин Уильямс, геохимик-экспериментатор из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, не принимавший участия в новом исследовании.

Эти открытия имеют особое значение для так называемых субнептунов: экзопланет, диаметр которых в два-четыре раза превышает диаметр Земли. Предполагается, что многие из них обладают плотной водородной или водной атмосферой, окружающей каменно-металлические ядра. Из 6000 известных экзопланет «субнептуны — самые распространённые объекты, которые мы находим», — говорит Пол Бирн, планетолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Поэтому исследователи хотят узнать, сколько из этих планет могут быть богаты водой.

Водянистые субнептуны, вращающиеся вдали от своей звезды, легко объяснить, поскольку они могли образоваться в холодных внутренних районах звёздной системы из материала, уже содержащего лёд. Однако некоторые наблюдаемые субнептуны вращаются очень близко к своим звёздам, а их размеры, масса и плотность указывают на то, что они настолько сильно насыщены водой, что «невозможно представить себе разумный сценарий, согласно которому такое количество воды было бы доставлено кометами», — говорит Харрисон Хорн, физик из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и ведущий автор нового исследования.

Согласно одному из предложенных объяснений, эти субнептуны, опаленные звёздами, образовались на богатых льдом окраинах своих планетных систем, прежде чем мигрировать внутрь, к своим родным звёздам. Но почему в этом сценарии внутренняя спираль планеты остановилась бы незадолго до разрушительного падения на саму звезду?

Другая гипотеза заключается в том, что эти планеты являются собственными фабриками по производству воды. Считается, что минералы в каменистых ядрах субнептунов богаты кислородом. Если бы этот кислород мог реагировать с атмосферным водородом, образовалось бы огромное количество воды. Но есть одна загвоздка: водород не так легко реагирует с горными породами.

Однако это правило может быть нарушено, если каменное ядро субнептуна частично или полностью расплавлено, поддерживая его в тепле благодаря плотной водородной атмосфере, действующей подобно гигантскому раскалённому одеялу. Как только каменные минералы ядра расплавятся, превратившись в магму, весь ранее заключённый в них кислород сможет свободно реагировать с атмосферным водородом и образовывать воду. «Если снаружи есть огромная водородная оболочка, — говорит Уильямс, — то всё, что находится внутри, вероятно, находится в жидком состоянии».

Предыдущие исследования намекали на такую возможность, но команда Хорна хотела выяснить, может ли реакция производить огромные объёмы воды, а не просто капли. Чтобы выяснить это, они поместили образцы горных пород в алмазную наковальню, способную сжимать предметы под непостижимо высоким давлением, подобным тому, что существует под водородным небом субнептуна. Затем исследователи заполнили камеру со сжатым каменным материалом водородом, а затем расплавили его частицы в магму с помощью импульсных лазеров.

Хорн и его коллеги ожидали увидеть немного воды, но, к удивлению исследователей, их количество оказалось в 10–1000 раз больше, чем предполагалось в предыдущих исследованиях. А поскольку субнептун может сохранять водородную оболочку миллиарды лет, эксперименты показывают, что такая экзопланета может поддерживать расплавленное ядро столько времени, сколько необходимо для образования океанов. «Этот процесс может производить довольно много воды и продолжаться долго», — говорит Бирн.

Есть некоторые оговорки: каждый субнептун будет отличаться по своей эффективности производства воды, и некоторые из них вращаются так близко к своим звездам, что интенсивная солнечная активность может со временем сорвать их атмосферу, уменьшив количество водорода, доступного для питания любых внутренних водопроводных сооружений. Планета, производящая океан, также может быть слишком горячей для того, чтобы ее вода оставалась жидкой; вы можете получить апокалиптический мир-сауну. Но при более низких температурах вы можете получить оазис — скалистый мир с богатой водой атмосферой и морями, омывающими его берега. Это обнадеживающая идея, если вы астроном, пытающийся найти другой мир, похожий на Землю. В качестве альтернативы, если сохранится достаточное количество этой первоначальной водородной атмосферы, некоторые субнептуны могут быть преобразованы в так называемые гицеевые миры: океанические сферы, покрытые водородом, которые также могут представлять собой перспективные места для зарождения биологии.

В любом случае, это исследование открывает новые горизонты. Где-то вдали от Земли свет звёзд вполне может проникать сквозь планетарное небо и отражаться на поверхности океана, образовавшегося совершенно не похожим на что-либо известное в Солнечной системе образом. «Воду можно получить, — говорит Уильямс, — с помощью механизма, отличного от того, который изначально предполагало большинство астрономов».