Дом сверкающего неба и лавовых морей поможет понять эволюцию Земли

Лавовые миры — массивные экзопланеты, на которых сверкают небеса и бурлят вулканические моря, называемые океанами магмы, — совсем не похожи на планеты нашей Солнечной системы.

Почти 50% всех обнаруженных каменистых экзопланет способны поддерживать магму на своей поверхности, вероятно, потому, что эти планеты находятся так близко к своим звездам-хозяевам, что обращаются вокруг них менее чем за 10 дней. Такая близость приводит к тому, что планету бомбардируют суровые погодные условия и доводят температуру поверхности до экстремальных значений, делая ее практически полностью негостеприимной для жизни в том виде, в котором мы ее знаем сегодня.

В новом исследовании ученые показали, что эти расплавленные океаны оказывают большое влияние на наблюдаемые свойства горячих каменистых суперземель, такие как их размер и эволюционный путь.

Исследование, опубликованное недавно в журнале The Astrophysical Journal, показало, что из-за чрезвычайно сжимаемой природы лавы океаны магмы могут приводить к тому, что богатые лавой планеты без атмосферы будут несколько плотнее аналогичных по размеру твердых планет, а также влиять на структуру их мантии — толстого внутреннего слоя, окружающего ядро планеты.

Несмотря на это, поскольку эти объекты, как известно, мало изучены, охарактеризовать фундаментальные особенности лавовых планет может оказаться непростой задачей, говорит Кирстен Боли, ведущий автор исследования и аспирант астрономического факультета Университета штата Огайо.

Лавовые миры — это очень странные и интересные объекты, и из-за того, как мы обнаруживаем экзопланеты, мы более предвзято относимся к их обнаружению», — говорит Боли, чьи исследования посвящены пониманию того, какие основные компоненты делают экзопланеты уникальными и как изменение этих элементов или, в случае лавовых миров, их температуры, может полностью изменить их».

Одной из наиболее известных загадочных горящих планет является 55 Cancri e — экзопланета, находящаяся на расстоянии около 41 светового года от Земли, которую ученые называют домом как для сверкающего неба, так и для бурлящих лавовых морей.

В то время как в нашей Солнечной системе есть объекты, например, луна Юпитера Ио, которые отличаются высокой вулканической активностью, в нашей части космоса нет настоящих лавовых планет, к которым ученые могли бы подойти вплотную и изучить их. Однако изучение того, как состав магматических океанов влияет на эволюцию других планет, например, как долго они остаются расплавленными и по каким причинам в конце концов остывают, может дать ключ к разгадке огненной истории Земли, считает Болей.

Когда планеты только формируются, особенно скалистые земные планеты, они проходят через стадию магматического океана, когда они остывают, — говорит Болей.

Поэтому лавовые миры могут дать нам некоторое представление о том, что могло произойти в процессе эволюции практически любой земной планеты.

Используя программу моделирования экзопланетных интерьеров Exoplex и данные, собранные в ходе предыдущих исследований, для создания модуля, включающего информацию о нескольких типах состава магмы, исследователи смоделировали несколько сценариев эволюции землеподобной планеты с температурой поверхности от 2600 до 3860 градусов по Фаренгейту — температурой плавления, при которой твердая мантия планеты превращается в жидкость.

На основе созданных моделей специалисты смогли установить, что мантии планет с магматическим океаном могут принимать одну из трех форм: первая — когда вся мантия полностью расплавлена, вторая — когда океан магмы находится на поверхности, и третья — модель типа «сэндвич», состоящая из океана магмы на поверхности, слоя твердых пород в центре и еще одного слоя расплавленной магмы, расположенного ближе всего к ядру планеты.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что вторая и третья формы встречаются несколько чаще, чем полностью расплавленные планеты. В зависимости от состава магматических океанов, некоторые экзопланеты без атмосферы лучше других способны удерживать летучие элементы — такие соединения, как кислород и углерод, необходимые для формирования ранних атмосфер, — в течение миллиардов лет.

Например, в исследовании отмечается, что планета класса базальной магмы, которая в 4 раза массивнее Земли, может удерживать более чем в 130 раз большую массу воды, чем в современных океанах Земли, и примерно в 1000 раз большее количество углерода, чем сейчас присутствует в поверхности и коре планеты.

Когда мы говорим об эволюции планеты и ее потенциальном содержании различных элементов, необходимых для поддержания жизни, способность задерживать большое количество летучих элементов в своей мантии может иметь большие последствия для обитаемости, — сказал Болей.

Лавовые планеты еще далеки от того, чтобы стать достаточно пригодными для жизни, но важно понять процессы, которые помогают этим мирам достичь цели.

Тем не менее, данное исследование ясно показывает, что измерение их плотности — не самый лучший способ охарактеризовать эти миры при сравнении их с твердыми экзопланетами, поскольку океан магмы не увеличивает и не уменьшает плотность планеты.

Вместо этого их исследование показывает, что ученые должны сосредоточиться на других земных параметрах, таких как колебания силы тяжести на поверхности планеты, чтобы проверить свои теории о том, как функционируют горячие лавовые миры, особенно если будущие исследователи планируют использовать полученные данные для помощи в более крупных планетарных исследованиях.

Эта работа, представляющая собой сочетание наук о Земле и астрономии, открывает новые интересные вопросы о лавовых мирах, — заключает Болей.

26.09.2023