Космос умеет варить воду: астрофизики раскрыли тайну планет, где нет комет и льда

Учёные предложили неожиданное объяснение тому, как на некоторых жарких экзопланетах может существовать вода. Ранее считалось, что планеты получают её извне — от комет и астероидов, несущих лёд. Однако новая серия экспериментов, опубликованная в журнале Nature, показала, что в некоторых случаях вода может… возникать прямо внутри планеты.

Тайна водных миров

До сих пор считалось, что планеты становятся "влажными" благодаря внешним поставкам — удачным столкновениям с ледяными телами. Если мир формировался близко к своей звезде, то шанс сохранить воду стремился к нулю: высокие температуры просто испаряли её.

Но среди тысяч открытых экзопланет астрономы нашли загадочные случаи. Некоторые из них вращаются так близко к звёздам, что температура на поверхности достигает тысячи градусов, — и всё же там наблюдаются следы водяного пара. Как это возможно?

Ответ, как выяснилось, может скрываться внутри самой планеты.

Эксперимент, который всё перевернул

Команда физика Харрисона Хорна из Ливерморской национальной лаборатории США решила проверить идею, что планеты могут "варить" воду в собственных недрах. Для этого они воссоздали экстремальные условия, подобные тем, что существуют на границе между каменистым ядром и плотной водородной атмосферой субнептунов — планет в 2-4 раза больше Земли.

С помощью алмазных наковален и импульсных лазеров учёные подвергли образцы горных пород воздействию чудовищного давления и температуры. Когда минералы оказались в "водородном супе", произошла реакция: кислород из расплавленной породы соединился с водородом и образовал воду.

"Мы ожидали увидеть небольшие следы воды, но получили результат в 10-1000 раз выше прогнозов", — рассказал физик Харрисон Хорн.

Как планеты создают воду сами

Чтобы понять процесс, нужно представить субнептун: планету с плотным водородным "одеялом" и расплавленным каменным ядром.

• Под атмосферой царит колоссальное давление.
• Тепло звезды и внутренние реакции держат ядро в жидком состоянии.
• Кислород из минералов взаимодействует с водородом.
• В результате формируется вода, накапливающаяся в недрах.

Пока планета сохраняет водородную атмосферу, этот "котёл" может работать миллиарды лет. Теоретически это означает, что даже на горячих мирах могут существовать водоёмы — пусть и под поверхностью.

Почему открытие так важно

Механизм образования воды без внешних источников может объяснить происхождение многих загадочных миров. Особенно это касается субнептунов — самого многочисленного класса экзопланет, известных астрономам. Из более чем 6 тысяч обнаруженных планет примерно половина — именно такие.

Что показали модели

Исследование показало, что при нужных условиях вода может образовываться даже без ледяных тел.

Важно лишь, чтобы планета

• имела богатое кислородом каменное ядро;
• была окружена плотной водородной атмосферой;
• сохраняла высокую температуру, способную расплавить минералы.

Если эти факторы сочетаются, кислород "выходит" из породы и соединяется с водородом, формируя воду в жидкой или паровой форме.

"Если у вас есть плотная водородная оболочка, всё, что под ней, скорее всего, жидкое", — объяснил астрофизик, соавтор исследования.

А что мешает планете стать океаническим миром

Не каждая субнептун-планета превращается в "мокрый" рай. Если она расположена слишком близко к звезде, водородная атмосфера может со временем улетучиться, а вода — испариться. В этом случае планета станет сухой и безжизненной.

С другой стороны, умеренно нагретые миры могут обрести устойчивые водоёмы и даже океаны, хотя на поверхности температура всё ещё выше земных. Такие планеты могли бы напоминать гигантские "сауны" с плотным паровым покровом.

Советы шаг за шагом: как ищут воду на экзопланетах

1. Наблюдение за атмосферой. С помощью телескопов вроде James Webb учёные анализируют свет звезды, проходящий через атмосферу планеты.
2. Поиск водяного пара. По характерным спектральным линиям определяют наличие воды.
3. Оценка состава ядра. По массе и плотности рассчитывают, из чего состоит планета.
4. Сравнение моделей. Проверяют, возможно ли внутреннее образование воды.
5. Подтверждение лабораторными экспериментами. Воспроизводят условия в установках высокого давления.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: считать, что вся вода во Вселенной привезена кометами.
• Последствие: игнорируются внутренние химические процессы планет.
• Альтернатива: учитывать образование воды при взаимодействии магмы и водорода.
• Ошибка: искать только "холодные" планеты как потенциально водные.
• Последствие: упускаются горячие миры с внутренним циклом воды.
• Альтернатива: расширить поиск до субнептунов и супервенер.
• Ошибка: полагать, что жизнь возможна лишь при земных условиях.
• Последствие: сужение диапазона поисков обитаемых планет.
• Альтернатива: учитывать экзотические формы среды, где вода существует в других фазах.

Мифы и правда

• Миф: вода может существовать только там, где холодно.
• Правда: при высоком давлении вода остаётся жидкой даже при сотнях градусов.
• Миф: планеты получают воду только от астероидов.
• Правда: часть воды может образоваться внутри планеты в результате реакций кислорода и водорода.
• Миф: если планета близко к звезде, на ней не может быть воды.
• Правда: внутренний цикл образования воды способен компенсировать потери.

FAQ

Что такое субнептуны?

Это экзопланеты в 2-4 раза крупнее Земли с плотной атмосферой и каменным ядром. Они занимают промежуточное положение между Землёй и Нептуном.

Можно ли говорить, что такие планеты пригодны для жизни?

Пока рано. Температура на большинстве из них слишком высока, но в некоторых случаях может существовать жидкая вода под облачным слоем.

Какие телескопы способны "увидеть" воду?

Современные инструменты — James Webb Space Telescope и Hubble — анализируют инфракрасный спектр, где линии водяного пара хорошо различимы.

Интересные факты

1. Эксперименты с алмазными наковальнями позволяют воссоздать давление до миллионов атмосфер — как в недрах планет.
2. Вода, образовавшаяся в лаборатории Хорна, составляла до 1 % массы образца — колоссальное значение в планетных масштабах.
3. Среди 6000 известных экзопланет почти половина — субнептуны, и теперь учёные считают, что многие из них могут быть "самовлажными".

Открытие меняет представление о том, где искать воду и жизнь во Вселенной. Если планеты способны производить воду самостоятельно, океанические миры могут встречаться гораздо чаще, чем считалось раньше.

Возможно, где-то далеко свет звезды отражается не от камней, а от океанов, рождённых не кометами, а самой планетой.