Многие экзопланеты низкой плотности, которые принято считать «водными мирами», могут оказаться не такими уж богатыми на океаны. Скорее, они похожи по составу на кометы Солнечной системы, утверждают авторы нового исследования. Более того, вполне вероятно, что такие покрытые «сажей» миры есть среди подтвержденных экзопланет.
Большинство экзопланет в видимой нам части Галактики имеют массу и радиус где-то между Землей и Нептуном. Причем часто плотность этих субнептунов меньше плотности нашей планеты. Значит, в них выше содержание более легких компонентов. Может, они покрыты толстой атмосферой из водорода и гелия. Скорее всего, более 50% их массы составляет вода, поэтому такой тип планет прозвали «водными мирами».
Считается, что «водный мир» — самый вероятный результат формирования экзопланеты за пределами снеговой линии протопланетного диска. Снеговая линия — расстояние от светила, на котором температура падает достаточно низко, чтобы простые летучие соединения (преимущественно вода) оставались в твердом состоянии. В современной Солнечной системе эта линия пролегает в поясе астероидов, между орбитами Марса и Юпитера.
Впрочем, есть и альтернативное объяснение низкой плотности субнептунов — обилие «сажи». «Сажей» ученые называют «тугоплавкий органический углерод», соединения богатые углеродом, водородом, кислородом и азотом (иногда их обозначают акронимом CHON).
В нашей системе «сажи» достаточно много. По некоторым оценкам, она составляет примерно 40 процентов суммарной массы комет. Кометы и астероиды — чаще всего «мусор», оставшийся со времен формирования Солнечной системы. Значит, и в протопланетном диске было много таких углеродных соединений. Поэтому авторы новой научной работы предложили ввести новое понятие — «линия сажи».
Новая «линия сажи» пролегает ближе к звезде, чем снеговая. Она определяется расстоянием, на котором углеродные соединения достаточно стабильны, чтобы в большом количестве «встраиваться» в формирующиеся планеты. Получается, близко к звезде формируются каменистые планеты, следом — планеты-«сажи», а уже дальше — «водные миры». Последние, впрочем, тоже должны быть богаты углеродными соединениями.
Содержание углеродных соединений в планетах-«сажах» может достигать 25 процентов от общей массы. Как показали расчеты, выявить такие миры можно по составу атмосферы. Геологические процессы в недрах должны приводить к образованию богатой метаном атмосферы с углеводородной дымкой. Получается, планеты-«сажи», вероятно, похожи на Титан, спутник Сатурна.
«Водные миры» в новой классификации тоже оказываются не такими уж водными. Авторы исследования предложили выделять два типа подобных планет: сухие и мокрые. В сухих содержание воды не превышает четверти массы, в мокрых — половину массы. При этом даже в мокрых мирах «сажа» должна составлять 15-20 процентов их массы.
К сожалению, невозможно различить планеты-«сажи» и «водные миры» исключительно по массе и радиусу. Выявить среди подтвержденных субнепнутов новый тип планет удастся только при наличии данных об их атмосферах. Такие данные сейчас собирает космический телескоп «Джеймс Уэбб». Среди изученных миров авторы нового исследования выделили TOI-270 d — судя по обилию углекислого раза и метана в атмосфере, а также высокому соотношению углерода к кислороду, это может быть планета-«сажа».
Обитаемы ли планеты-«сажи»? Ответить сложно. С одной стороны, обилие углеродных соединений может «затвердить» недра. У такой планеты не будет ни геологической активности, обеспечивающей приток необходимых для жизни соединений на поверхность, ни магнитосферы, защищающей поверхность от излучения. С другой стороны, обилие метана в атмосфере и воды на поверхности — неплохие условия для запуска предбиологической химии.
Статья ученых выложена в открытый доступ на портале arXiv.