Экзопланеты могут содержать больше воды, чем считалось ранее

До сих пор для исследования экзопланет использовалась простая модель Земли: железное ядро, окружённое силикатной мантией, и вода (океаны) на поверхности. Однако, как отмечает профессор ETH Zurich Каролин Дорн, в последние годы стало ясно, что планеты устроены сложнее.

Большинство известных экзопланет расположены близко к своим звёздам. Это горячие миры с океанами расплавленной магмы, где вода растворяется очень хорошо, в отличие, например, от CO₂.

Распределение воды между силикатами и железом

Вместе с коллегами из Принстонского университета Дорн исследовала этот вопрос с помощью модельных расчётов, основанных на фундаментальных законах физики. Результаты опубликованы в Nature Astronomy.

В процессе формирования планеты железо изначально содержится в магматическом "супе" в виде капель. Вода, захваченная этим "супом", соединяется с железными каплями и опускается с ними к ядру. "Железные капли ведут себя как лифт, который вода доставляет вниз", — объясняет Дорн.

Ключевой результат: чем больше планета и её масса, тем больше воды стремится уйти с железными каплями и интегрироваться в ядро. При определённых условиях железо может поглотить до 70 раз больше воды, чем силикаты. Из-за огромного давления в ядре вода присутствует там не в форме молекул H₂O, а в виде водорода и кислорода.

Последствия для интерпретации данных

Новые данные о распределении воды имеют драматические последствия для астрономических наблюдений. Астрономы измеряют массу и размер экзопланеты, чтобы сделать выводы о её составе. Если игнорировать растворимость и распределение воды (как делалось до сих пор), объём воды может быть недооценён вплоть до 10 раз.

"Планеты гораздо более богаты водой, чем предполагалось ранее", — говорит Дорн.

Вода, опустившаяся в ядро, остаётся там навсегда. Однако вода, растворённая в магматическом океане мантии, может дегазироваться и подниматься к поверхности при её остывании. "Поэтому, если мы находим воду в атмосфере планеты, вероятно, в её недрах её гораздо больше", — поясняет учёный.

Это пытается обнаружить космический телескоп James Webb, который может отслеживать молекулы в атмосферах экзопланет. Особый интерес представляют данные по экзопланете TOI-270d, где собраны свидетельства взаимодействия между магматическим океаном в её недрах и атмосферой.

Новый взгляд на "водные миры"

Ранее считалось, что слишком много воды на суперземлях (планетах с массой, многократно превышающей земную) может быть враждебно жизни, так как слой экзотического высокого давления льда мог бы препятствовать обмену веществами между океаном и мантией.

Новое исследование приходит к другому выводу: планеты с глубокими водными слоями, вероятно, редки, поскольку большая часть воды на суперземлях находится не на поверхности, а захвачена внутри ядра. Это позволяет предположить, что даже планеты с относительно высоким содержанием воды могут иметь потенциал для развития землеподобных обитаемых условий. Таким образом, исследование проливает новый свет на возможность существования богатых водой миров, способных поддерживать жизнь.