Каролина Дорн, профессор кафедры экзопланет ETH Zurich, отмечает, что только недавно мы начали понимать, насколько сложнее устроены планеты. Большинство известных экзопланет расположены близко к своей звезде и состоят из горячих миров с океанами расплавленной магмы. В таких условиях вода хорошо растворяется, а углекислый газ быстро улетучивается и поднимается в атмосферу.

Под мантией силикатов находится железное ядро. Дорн вместе с Хайяном Луо и Цзе Денгом из Принстонского университета исследовал, как распределяется вода между силикатами и железом.

Результаты они опубликовали в журнале Nature Astronomy.

Суп из магмы с водой и железом

Дорн объясняет полученные результаты: «Чтобы образовалось железное ядро, нужно время. Большая часть железа сначала содержится в горячем магматическом супе в виде капель. Капли железа опускаются в ядро вместе с водой из этого супа».

Раньше такое поведение наблюдалось только при умеренных давлениях, таких как на Земле. Никто не знал, что происходит на больших планетах с более высоким внутренним давлением.

Это одно из главных открытий нашего исследования, — говорит Дорн.

Чем больше и тяжелее планета, тем больше воды попадает в капли железа и интегрируется в ядро. В некоторых условиях железо может поглотить в 70 раз больше воды, чем силикаты. Но из-за огромного давления в ядре вода распадается на водород и кислород.

Большое количество воды находится и внутри Земли

Исследование началось после того, как четыре года назад стало известно, что в океанах Земли содержится лишь малая часть всей воды планеты.

Симуляции показывают, что большая часть воды может быть скрыта в недрах Земли. Результаты симуляций согласуются с данными экспериментов и сейсмологических измерений.

Новые выводы о распределении воды в планетах важны для интерпретации данных астрономических наблюдений.

Астрономы могут измерить массу и размер экзопланеты с помощью телескопов в космосе и на Земле. На основе этих расчётов они строят диаграммы масса-радиус, которые позволяют сделать выводы о составе планеты.

Если игнорировать растворимость и распределение воды, то её объём может быть занижен до десяти раз. «Планеты гораздо более богаты водой, чем предполагалось ранее», — говорит Дорн.

Понимание истории эволюции

Распределение воды помогает понять, как формируются и развиваются планеты. Часть воды остаётся в ядре навсегда. Вода из магматического океана мантии может подниматься на поверхность при остывании мантии.

Космический телескоп Джеймса Уэбба уже два года передаёт данные из космоса на Землю. Он отслеживает молекулы в атмосфере экзопланет. Учёные хотят установить связь между атмосферой и внутренними глубинами небесных тел.

Учёные получили новые данные об экзопланете TOI-270d. Дорн, участвовавшая в подготовке публикации о TOI-270d, говорит, что есть доказательства взаимодействия между океаном магмы в недрах планеты и её атмосферой.

В списке интересных объектов для изучения также есть планета K2-18b. Она привлекла внимание из-за вероятности существования жизни на ней.

Обязательно ли водные миры обладают потенциалом жизни?

Вода необходима для развития жизни. Предполагалось, что на суперземлях с большим количеством воды — планетах, масса которых в несколько раз больше массы Земли, а поверхность покрыта глубоким океаном, — тоже есть жизнь. Но расчёты показали, что большое количество воды может быть опасно для жизни: слой экзотического льда высокого давления будет мешать обмену жизненно важными веществами между океаном и мантией планеты.

Новое исследование показало, что планеты с глубокими водными слоями — редкое явление. Большая часть воды на суперземлях находится не на поверхности, а в ядре. Это позволяет предположить, что даже на планетах с высоким содержанием воды могут быть условия, пригодные для жизни.