На новом типе экзопланет обнаружен магматический океан, существующий 5 млрд лет

Фото из открытых источников

Согласно теории, Земля когда-то была миром, покрытым магматическим океаном, как и все каменистые миры на ранних стадиях своего развития. По мере охлаждения молодой Земли расплавленным оставалось только внешнее ядро, окружавшее твердое внутреннее ядро и покрытое твердой мантией и корой. Именно такое расположение, наряду с силами Кориолиса, поддерживает нашу защитную магнитосферу.

Сера играет здесь важную роль. Это сидерофильный элемент, то есть он любит железо. Когда железо опускалось к ядру магматического океана Земли, оно увлекало за собой огромное количество серы. Ученые считают, что до 2% ядра составляет сера, что является огромным количеством. Поскольку вся эта сера снижает температуру плавления расплавленного внешнего ядра, она играет важную роль в обитаемости.

Возможно, именно эта взаимосвязь между серой и магмой лежит в основе возникновения совершенно нового класса экзопланет.

Новое исследование показывает, что экзопланета L 98-59 d, обнаруженная телескопом TESS в 2019 году, представляет собой новый класс экзопланет. Эти планеты остаются в виде магматических океанов гораздо дольше, чем планеты, подобные Земле, и это объясняется содержанием серы в них.

Исследование, ведущим автором которого является Харрисон Николлс из Оксфордского университета, было опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Экзопланета L 98-59 d вращается вокруг звезды типа M-карлика на расстоянии около 35 световых лет. Когда астрономы использовали телескоп JWST и другие телескопы для изучения этой экзопланеты, они обнаружили, что она имеет чрезвычайно низкую плотность. Ее масса составляет 1,64 массы Земли, а радиус — 1,627 радиуса Земли, что дает приблизительную плотность 2,2 г/см³. Это всего лишь около 40% от плотности Земли, что указывает на то, что эта экзопланета сильно отличается от Земли.

Экзопланеты с низкой плотностью и малыми размерами, подобные этой, часто делятся на две категории. Они могут иметь каменистую внутреннюю структуру с водородно-гелиевой атмосферой, их иногда называют газовыми карликами. Или же они могут иметь плотность, в которой преобладают различные фазы воды, их иногда называют водными мирами.

Однако L 98-59 d не вписывается ни в одно из определений. Исследователи называют её суперземлёй с низкой плотностью и использовали наблюдения и модели, чтобы выяснить, как она сформировалась и эволюционировала.

«Здесь мы ограничиваем возможный диапазон эволюционных историй, связывающих условия зарождения малоплотной сверхземли L 98-59 d с недавними наблюдениями, используя сопряженную эволюционную модель атмосферы и недр Земли», — пишут исследователи.

Исследователи смоделировали 5 миллиардов лет истории планеты, чтобы понять, как она достигла своего нынешнего состояния. Их работа позволила им заглянуть внутрь планеты и увидеть, как она менялась с течением времени.

Они обнаружили, что мантия планеты состоит из расплавленного силиката, похожего на земную лаву. Но настоящий сюрприз был найден под мантией. Их работа показала, что L 98-59 d имеет обширный магматический океан, простирающийся на тысячи километров под мантией. Ключ к пониманию планеты заключается в том, что этот магматический океан содержит большое количество серы, которая формирует её атмосферу.

Планета имеет плотную атмосферу, богатую водородом. Она также содержит серосодержащие атмосферные газы, такие как сероводород (H2S). Эти газы склонны к отрыву от звёзд в атмосферах экзопланет, особенно вокруг красных карликов. Но, несмотря на свой почти 5-миллиардный возраст, H2S остаётся. Почему так происходит?

Магматический океан Земли существовал миллионы лет, прежде чем остыл. По мере охлаждения магма кристаллизовалась, и на поверхность выбрасывались газы, в том числе серосодержащие газы.

То же самое происходит и на L 98-59 d, но поскольку её магматический океан настолько обширен, атмосфера постоянно пополняется молекулами, содержащими серу. Это непрерывное пополнение объясняет наблюдения JWST, полученные в ходе предыдущих исследований. Космический телескоп обнаружил атмосферу, богатую диоксидом серы (SO2), и исследование показывает, как он образуется из H2S в результате фотолиза, вызванного ультрафиолетовым излучением звезды.

«Самое интересное то, что мы можем использовать компьютерные модели, чтобы раскрыть скрытое внутреннее строение планеты, которую мы никогда не посетим», — сказал соавтор исследования профессор Раймонд Пьерхумберт из Оксфордского университета. «Хотя астрономы могут измерять размер, массу и состав атмосферы планеты только издалека, это исследование показывает, что можно реконструировать глубокое прошлое этих инопланетных миров и обнаружить типы планет, не имеющие аналогов в нашей Солнечной системе».

Результаты моделирования показывают, что экзопланета, должно быть, сформировалась с большим количеством летучих веществ. Вероятно, в прошлом она была больше, больше напоминала субнептун. За миллиарды лет она уменьшилась в размерах из-за потери атмосферы и охлаждения, и мы видим её сейчас как результат этих механизмов. «Наш анализ выявляет эволюционный путь, в котором планеты имеют богатые летучими веществами атмосферы, поддерживаемые длительным процессом дегазации магмы и океана, сформированные вековым охлаждением, атмосферной эрозией и фотохимией», — объясняют исследователи.

Неудивительно, что это исследование выявляет новый класс экзопланет. Мы находимся лишь в начале изучения популяции экзопланет, и наше понимание типов экзопланет неизбежно станет более детальным и подробным. С появлением новых данных от таких миссий, как PLATO и ARIEL, наши категории экзопланет станут более точными. PLATO будет изучать планеты земной группы в обитаемых зонах звезд, подобных Солнцу, а ARIEL будет изучать атмосферы тысяч экзопланет в Млечном пути.

«Это открытие предполагает, что категории, которые астрономы в настоящее время используют для описания малых планет, могут быть слишком простыми», — сказал ведущий автор исследования Харрисон. «Хотя эта расплавленная планета вряд ли способна поддерживать жизнь, она отражает широкое разнообразие миров, существующих за пределами Солнечной системы. Тогда мы можем задаться вопросом: какие еще типы планет ждут своего открытия?»