Суб-Нептуны — планеты, крупнее Земли, но мельче Нептуна. Многие из этих объектов с каменным ядром и толстой оболочкой из газообразного водорода или воды вращаются близко к своим звездам, в зонах, где вода должна бы испаряться мгновенно. Как же они умудряются хранить огромные ее запасы — порой превышающие земные океаны в тысячи раз? Новое исследование, раскрывает неожиданный механизм: эти планеты не ждут доставки извне — они создают воду сами, посредством химических реакций.
Слишком много воды
Классические модели формирования планет рисуют такую картину для миров за «линией снега» — границей, где температура падает ниже точки замерзания воды, позволяя льду накапливаться в протопланетном диске. Там, в холодной периферии, планеты вроде Нептуна или Урана захватывают лед и газ, становясь гигантами с водными мантиями.
Но наблюдения рассказывают и другую историю. Миссия «Кеплер» выявила множество суб-Нептунов на более близких к звезде орбитах, где слишком горячо, и вода на поверхности невозможна. Тем не менее, измерения показывают: эти планеты богаты водой. Откуда она?
Старые гипотезы хромали. Конечно, кометы и астероиды могли бы бомбардируя планету, приносить лед, но расчеты говорят: даже очень интенсивные удары не объясняют наблюдаемые объемы воды. Еще один вариант – миграция. Планета формируется далеко, в холодной зоне, и перемещается внутрь системы под гравитационными толчками. Это интересно, но не универсально — не все суб-Нептуны показывают признаки такой одиссеи.
Эксперимент с алмазной наковальней
Команда из Университета Аризоны, в коллаборации с учеными Открытого университета Израиля и Чикагского университета, подошла к проблеме радикально: они воссоздали адские условия внутри суб-Нептуна в лаборатории. Ключевой инструмент — алмазные наковальни, способные сжимать образцы до давлений в 10 000 раз выше атмосферного на Земле, и импульсный лазер в синхротронном комплексе Advanced Photon Source.
Опытными образцами послужили обычные породообразующие минералы: оливин, фаялит, кремнезем. Их поместили в условия, имитирующие границу между каменным ядром и водородной атмосферой. Под натиском огромного давления и разогрева выше 3000 градусов Кельвина силикаты расплавились в магму, высвобождая атомы кислорода. Те вступили в реакцию с атмосферным водородом, образовав весьма приличное количество воды.
Но это еще не все. Обнаружилось, что кремний из минералов, сплавляется с железом и образует гидриды кремния, что тоже способствует образованию воды.
Эволюция от газа к воде
Получается, что такие реакции превращают газовую оболочку в водную, и за миллиарды лет создают целые водный мир. Лишь бы водорода в атмосфере было достаточно.
Это стирает грань между типами экзопланет. Ведь, возможно, суб-Нептуны с водородными атмосферами и «гиперокеанические» планеты — не принципиально разные классы, а разные фазы одного эволюционного процесса.
Близко или далеко от звезды формируется планета — механизм един. Богатые водородом суб-Нептуны – предшественники водных миров, а вода не такая уж и редкость и не привилегия холодных зон.
Это имеет огромное значение. Если суб-Нептуны, самые распространенные среди экзопланет, могут самостоятельно производить воду, независимо от зоны их формирования, то водных миров гораздо больше, чем предполагалось. А значить гораздо шире и «обитаемая зона». Вода есть не только у спокойных звезд, но и в жарких системах красных карликов, где суб-Нептуны кишмя кишат.