Некоторые из самых горячих известных миров кажутся слишком раскалёнными, чтобы на них могла существовать вода, однако химические следы воды в их атмосферах появляются снова и снова. Удивительно, что на этих планетах водяной пар обнаруживается в большом количестве, хотя условия там сравнимы с гигантской печью — как и на одном из самых раскалённых известных миров. Новое исследование предлагает необычное объяснение: вода может формироваться внутри таких миров благодаря реакции водорода и расплавленных горных пород. Об этом сообщает автор Эрик Роллс в Earth.
Почему на обжигающе горячих планетах появляется вода
Долгое время считалось, что вода на планетах должна формироваться лишь вдали от звезды, где ледяные частицы объединяются и накапливаются в массивы, постепенно превращаясь в океаны. Но растущее число открытых субнептунов — планет, превосходящих Землю по размеру, но уступающих Нептуну, — показывает, что многие из них находятся на тесных орбитах, обращаясь вокруг звезды всего за несколько дней. Эти миры слишком горячие, чтобы удерживать лед, и слишком близкие, чтобы соответствовать классическим моделям миграции.
Исследователи рассматривали возможность доставки воды кометами или ледяными астероидами, но этот сценарий не объясняет огромные объёмы водяного пара, которые наблюдаются сегодня.
"На самом деле нет ни одного разумного сценария, при котором такое количество воды могло бы быть доставлено кометами", — сказал исследователь Хорн.
Поэтому учёные решили имитировать внутренние условия горячих субнептунов, чтобы понять, возможно ли образование воды иным путём — глубоко под поверхностью.
Как учёные воспроизвели чужую планету в лаборатории
Команда Хорна выбрала образцы горной породы, моделирующие силикатные минералы, характерные для недр землеподобных планет. Эти крошечные фрагменты поместили между алмазными наковальнями — устройством, которое создаёт колоссальное давление, сопоставимое с условиями в глубине планет.
Затем образец окружили газообразным водородом и прогрели лазерами до состояния расплава. На границе магмы и водородной среды активно образовывались молекулы воды, причём в таких количествах, что при масштабировании до размеров планеты этого было бы достаточно для формирования гигантских океанов.
Эксперименты показали: реакция водорода с минералами может производить десятки весовых процентов воды от массы вещества. Эта скорость оказалась в десятки и даже тысячи раз выше прежних прогнозов, основанных на низком давлении и упрощённых моделях.
Полученные результаты говорят о том, что горячие субнептуны могут быть настоящими фабриками воды, создающими её из взаимодействия водорода и расплавленной породы.
Океаны, рожденные из камня
Внутри таких планет водородная оболочка действует как мощное термическое покрывало. Гравитация сжимает газовый слой, создавая идеальные условия для долгосрочного удержания тепла. Благодаря этому ядро может оставаться расплавленным миллиарды лет, формируя стабильный океан магмы, в котором непрерывно циркулируют слои жидкой породы.
Водород способен проникать в эту магматическую область, реагировать с кислородом, высвобождающимся из минералов, и создавать всё новые и новые порции воды. Обогащённый влагой материал затем может подниматься вверх, попадая в атмосферу. Если часть водорода постепенно улетучивается в космос, а вода остаётся, структура планеты меняется: газовый гигант приобретает более плотные, насыщенные водой слои.
В крайних случаях возможна трансформация субнептуна в мир, заполненный водой на значительную часть массы. Это означает, что такие планеты не обязаны рождаться далеко от своих звёзд — они способны создавать воду автономно.
Как субнептуны эволюционируют и почему это важно
Традиционные модели связывают водные миры с зонами, расположенными за линией льда, где ледяные частицы могут устойчиво существовать. Но работа Хорна показывает, что даже горячие планеты, близкие к своим звёздам, способны накапливать воду внутренним путём. Это нарушает прежнюю связь между местом формирования и составом планеты, расширяя круг потенциальных обитаемых миров.
В многочисленных наблюдениях субнептуны встречаются значительно чаще, чем более массивные аналоги. Одни из них ближе по структуре к компактным каменистым планетам, другие сохраняют толстые газовые оболочки. Если реакция водорода с расплавленной породой действительно работает столь эффективно, различия между группами становятся логичными: промежуточные варианты могут быть этапами эволюции от газообогащённых миров к водным планетам.
Возможность существования океанических миров — гиацинтовых планет — уже не выглядит столь невероятной. На таких объектах океаны могут быть глубочайшими, а атмосфера — богатой водородом.
"По сути, они могут быть собственными двигателями на воде", — сказал Квентин Уильямс, геохимик из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.
Это открывает новые перспективы в поиске потенциально пригодных для жизни миров, где вода не просто унаследована от древних ледяных тел, а непрерывно синтезируется в недрах.
Сравнение механизмов появления воды: классическая модель и эндогенное образование
Классическая теория предполагает, что вода приходит на планету извне — с кометами, астероидами и льдом протопланетного диска. Такой путь предполагает длительную миграцию и перенос вещества.
Внутренний механизм, обнаруженный учёными, работает иначе. Он не зависит от расстояния до звезды и может запускаться в условиях огромного давления и высокой температуры. Первый механизм объясняет появление воды на холодных далеких орбитах, второй — на горячих внутренних мирах. Это расширяет диапазон возможных водных планет, включая те, которые ранее считались слишком экстремальными для существования океанов.
Классическая модель описывает планеты, покрытые льдом изначально. Эндогенная модель создаёт воду постепенно — и в количествах, сопоставимых с глобальными океанами. В этом различии кроется пересмотр прежних представлений о формировании водных миров.
Плюсы и минусы гипотезы внутреннего происхождения воды
Исследование обладает несколькими значительными преимуществами. Во-первых, оно объясняет химические данные, полученные астрономами при наблюдениях горячих субнептунов. Во-вторых, предлагает реалистичный механизм образования воды под давлением, ранее недооценённый в моделях.
Но у этой гипотезы есть и ограничения. Не все планеты сохраняют водородный слой достаточно долго, чтобы процесс развивался миллиарды лет. На некоторых мирах интенсивное излучение звезды может разрушать атмосферу и препятствовать накоплению воды. Кроме того, нужно больше данных, чтобы подтвердить масштабируемость лабораторных результатов.
Плюсы новой гипотезы:
- объясняет наличие воды на горячих планетах;
- учитывает высокое давление и реальные геохимические процессы;
- расширяет перечень возможных обитаемых миров;
- помогает понять различия между типами субнептунов.
Минусы:
- зависимость от долгоживущей водородной оболочки;
- влияние звёздного излучения может разрушать воду;
- отсутствие прямых наблюдений внутренней структуры этих миров;
- необходимость проверки моделей с будущими телескопами.
Популярные вопросы о происхождении воды на горячих планетах
Как вода может появляться на планетах, слишком горячих для льда?
Она может синтезироваться в недрах благодаря реакции водорода с расплавленными минеральными породами.Может ли внутренний механизм заменить классическую модель доставки воды?
Он не отменяет её, но дополняет, позволяя объяснить водяные следы на планетах, которые никогда не были холодными.Способны ли такие планеты быть обитаемыми?
При определённых условиях внутреннее образование воды может привести к формированию глубоких океанов, но многое зависит от звезды и состава атмосферы — как показывают исследования о том, почему вода так важна для понимания состава газовых гигантов.