Астрономам известно около 60 скалистых экзопланет, находящихся в зонах обитаемости своих звёзд. Обнаружение воды в атмосферах экзопланет играет огромную роль в задаче определения того, насколько они могут быть пригодными для жизни.
Что, если бы существовал удобный способ измерения содержания воды в этих мирах? Исследователи разрабатывают способ моделирования этих миров, чтобы определить, сколько в них воды.
Насколько мы можем судить, для обитаемости, скорее всего, необходима вода на поверхности планеты. Но обнаружить поверхностную воду практически невозможно. Следующий лучший вариант — использовать имеющиеся у нас инструменты, например космический телескоп имени Джеймса Уэбба, чтобы обнаружить и описать атмосферы экзопланет. Но, несмотря на всю мощь Уэбба, он не может исследовать атмосферу всех экзопланет. Некоторые из них находятся за пределами его возможностей. Но одна группа исследователей использует то, что мы знаем об экзопланетах, приливном и радиогенном нагреве, чтобы попытаться определить, на каких экзопланетах могут быть океаны — на поверхности или под поверхностью.
Команда учёных изучила список каменистых экзопланет в пригодных для жизни зонах и с помощью моделирования определила, насколько вероятно наличие у них толстого поверхностного или подповерхностного слоя океана. Свои результаты они публикуют в работе под названием «Содержание воды на скалистых экзопланетах в зоне обитаемости«. Ведущий автор — Адам Болдог из обсерватории Конколи и Исследовательского центра астрономии и наук о Земле HUN-REN в Будапеште (Венгрия).
Одно из препятствий, с которым сталкиваются учёные, изучающие экзопланеты, — это распространённость звёзд М-типа, т.н. красных карликов. Половина звёзд в Млечном Пути может быть красными карликами, и именно у них мы обнаружили большинство каменистых планет в пригодных для жизни зонах. Но красные карлики известны своими мощными вспышками, и иногда эти вспышки намного мощнее, чем всё, на что способно наше Солнце. Поскольку красные карлики не такие яркие, как другие звёзды, их обитаемые зоны находятся гораздо ближе к ним. Это означает, что у экзопланет в пригодных для жизни зонах атмосфера в один момент может быть уничтожена мощной вспышкой красного карлика. Как только атмосфера исчезнет, за ней обязательно последует и вода.
В таких случаях планета теоретически может поддерживать жизнь даже без атмосферы. Возможно, что на скалистых планетах в пригодных для жизни зонах красных карликов есть много жидкой воды, но не на поверхности. Они могут быть больше похожи на океанические спутники планет нашей Солнечной системы — Европу, Энцелад и другие. В них много воды, в некоторых случаях больше, чем на Земле. Но у них нет воды на поверхности, а атмосферы крайне непрочные. Атмосферная спектроскопия Уэбба не может многое рассказать о таких типах миров и о том, есть ли у них океаны.
«Поэтому важно изучить другие возможные способы исследования обитаемости экзопланет, которые не зависят от наличия атмосферы», — поясняют авторы.
«В этом исследовании мы изучили внутренности каменистых экзопланет, чтобы выявить те из них, которые могут обладать большим количеством воды», — пишут авторы. «Мы смоделировали внутреннее строение 28 каменистых экзопланет, предполагая наличие четырёх различных слоёв — железного ядра, каменной мантии, слоя льда высокого давления и поверхностного слоя льда/воды».
При моделировании структуры экзопланет исследователи опирались на результаты предыдущих работ, согласно которым у каменистых экзопланет могут быть железное ядро, каменистая мантия, слой, состоящий из полиморфов льда высокого давления, и поверхностный слой льда/воды.
Основываясь на массе и радиусе каждой планеты, исследователи определили массовую долю воды для каждой из 28 планет. Это показатель того, какую часть массы каждой планеты составляет вода. В результате моделирования был получен ряд массовых долей воды для каждой планеты.
Исходные значения массы и размеров некоторых планет более определённы, чем других, и это показано на рисунке ниже, где результирующие доли массы H2O сосредоточены в относительно узком диапазоне, а доли массы H2O демонстрируют пик в распределении при наибольшей вероятности.
«Цвет и цифры указывают на долю всех смоделированных интерьеров, которые привели к появлению внутренних структур в определённом диапазоне массовой доли H2O», — поясняют авторы. «Если у большого количества расчётных составов планеты была высокая массовая доля H2O для неё, это проявляется в смещении значений и более светлых цветов на рисунке в сторону диапазонов с более высокой массовой долей».
Исследователи обнаружили, что все 28 планет в их выборке могут быть покрыты льдом или водой. Некоторым из них для поддержания жизни даже не нужны атмосферы.
«Наши результаты показывают, что у всех этих планеты могут быть достаточно большие массовые доли H2O, что может означать, что их поверхность могут покрывать лёд или вода», — пишут исследователи. «На планетах с температурой поверхности выше температуры таяния льда и большой массовой долей воды, могут существовать глобальные океаны независимо от наличия атмосферы».
На планетах с температурой поверхности ниже точки замерзания вода всё ещё может быть, говорится в исследовании, но тогда планета будет покрыта льдом. «Если внутренний тепловой поток в этих телах достаточно высок, чтобы вызвать таяние льда в глубине, эти миры могут содержать подземные резервуары жидкой воды», — поясняют авторы.
Среди интригующих результатов исследования — планеты TRAPPIST-1. Поскольку мы располагаем более точными данными о них, чем о некоторых других 28 планетах, участвовавших в исследовании, исследователи утверждают, что их результаты с большей вероятностью будут точными. «У всех смоделированных планет TRAPPIST-1, вероятно, есть довольно толстые слои H2O», — поясняют авторы, добавляя, что для оценки обитаемости необходимо определить природу этих слоёв.
На некоторых из 28 планет воды так много, что они могут быть планетами-океанами. В этих случаях водяной пар может обеспечивать достаточное атмосферное давление для сохранения поверхностных океанов. «Наши результаты позволяют предположить, что Kepler-62 f, Kepler-452 b и Kepler-442 b могут относиться к классу планет-океанов».
У исследования есть несколько слабых мест, на которые авторы не преминули указать. Во-первых, наше понимание радиогенного нагрева миров в других солнечных системах основано на обобщении нашей Солнечной системы. В скалистых планетах других солнечных систем может быть гораздо больше или гораздо меньше радиогенных элементов.
С приливным нагревом также не всё ясно. «Стоит отметить, что приливной нагрев сильно зависит от эксцентриситета планетарной орбиты, который меняется в процессе эволюции планеты, — поясняют авторы. Планеты на эксцентричных орбитах испытывают приливное нагревание. Но планеты, расположенные близко к своим звёздам, в конечном итоге переходят на круговые орбиты, что может устранить этот источник тепла».
Если некоторые из этих результатов верны, то миров с подповерхностными океанами может быть больше, чем мы думаем. Кто знает? Может быть, именно Земля является исключением из правил.
«Подповерхностные океаны могут быть отличным местом для развития жизни, хотя её будет трудно найти с помощью наших нынешних технологий», — заключают авторы.
Подобные исследования не могут заменить прямых наблюдений, но история показывает, насколько они важны для совершенствования мышления учёных. Хотя мы не можем наблюдать за этими планетами достаточно пристально, чтобы точно определить, есть ли на них океаны или нет, по крайней мере, учёные могут воспользоваться тем, что им известно, и работать над поиском ответовs.
