Новое исследование под руководством профессора Йоркского университета, опубликованное в издании Nature Astronomy, предлагает простую теоретическую модель для описания эволюции так называемых «лавовых планет» — раскаленных каменистых экзопланет, где неразрывно связаны процессы в недрах и атмосфере.

У лавовых планет настолько экстремальные орбиты, что наши знания о планетах Солнечной системы к ним неприменимы. Ученые просто не знают, чего ожидать, наблюдая за такими мирами, — говорит первый автор статьи, доцент кафедры физики и астрономии Йоркского университета Шарль-Эдуар Букаре.

Наша модель дает основу для интерпретации их эволюции и предлагает сценарии, позволяющие изучить внутреннюю динамику и химические изменения со временем. Эти процессы, хотя на лавовых планетах они усилены до предела, в своей основе те же самые, что формируют и каменистые планеты в нашей системе.

Лавовые планеты — это миры размером от Земли до «суперземель», которые вращаются опасно близко к своим звездам, делая полный оборот менее чем за земные сутки. Как и Луна по отношению к Земле, они, скорее всего, повернуты к звезде одной стороной. Дневная сторона раскалена настолько, что силикатные породы плавятся и даже испаряются, создавая условия, невиданные в нашей системе. Эти экзотические миры легко наблюдать из-за их короткого орбитального периода, и они могут раскрыть фундаментальные процессы планетарной эволюции.

Исследование объединило знания в области геофизической гидродинамики, изучения атмосфер экзопланет и минералогии. Ученые выяснили, как состав лавовых планет меняется по принципу, напоминающему дистилляцию. Когда породы плавятся или испаряются, элементы — магний, железо, кремний, кислород, натрий, калий — по-разному распределяются между паром, жидкостью и твердыми фазами. Уникальная орбитальная конфигурация лавовых планет поддерживает равновесие между этими фазами миллиарды лет, что и ведет к долгосрочным химическим изменениям.

В работе, которую также написали Дафне Лемакрье, Николас Б. Коуэн, Лиза Данг, Анри Самуэль, Джеймс Бадро, Орельен Фалько и Себастьен Шарно, использовали беспрецедентное численное моделирование. Команда предсказала два крайних варианта эволюции таких планет:

• Полностью расплавленные недра (вероятно, молодые планеты). Атмосфера отражает изначальный состав планеты. Тепло, переносимое внутри жидких недр, поддерживает высокую температуру и динамику на ночной стороне.
• В основном твердые недра (вероятно, старые планеты). На дневной стороне остается лишь мелкий лавовый океан. Атмосфера обедняется такими элементами, как натрий, калий и железо.

Это исследование началось как чисто научная работа, без особых ожиданий, — объясняет Букаре.

Оно основано на новом подходе к моделированию, который он разработал вместе с коллегами из Института физики Земли Парижа. То, что началось как пробное изучение, открыло новую перспективную линию исследований.

Предсказания, изложенные в работе, помогли получить 100 часов наблюдательного времени на космическом телескопе «Джеймс Уэбб» — самом совершенном инфракрасном обсерватории с 6.5-метровым сегментированным зеркалом. Предстоящие наблюдения под руководством профессора Лиза Данг напрямую проверят предложенную теоретическую модель.

Мы очень надеемся, что сможем наблюдать и отличить старые лавовые планеты от молодых. Если это удастся, это станет важным шагом от простых «фотографий» экзопланет к пониманию их истории, — говорит Букаре.

Главная польза — методологическая. Эта работа создает новый «язык» для интерпретации данных о самых экстремальных каменистых мирах. Понимая процессы на лавовых планетах, мы получаем усиленную, словно под микроскопом, модель того, как работает дифференциация недр, атмосферообразование и химическая эволюция любой каменистой планеты, включая Землю в ее ранние, горячие эпохи. Это прямой путь от абстрактной теории к конкретным наблюдательным критериям для „Джеймса Уэбба“. В перспективе это поможет не просто классифицировать экзопланеты, а „читать“ их историю по составу атмосферы, определяя возраст и этап внутренней эволюции.

Критический аспект лежит в области предположений о вязкости и конвекции в глобальном магматическом океане. Модель, вероятно, опирается на определенные упрощения в поведении силикатных расплавов при сверхвысоких температурах и давлениях, которые трудно проверить в лабораторных условиях. Если реальная динамика окажется иной (например, из-за расслоения расплава или неучтенных фазовых переходов), сценарий эволюции «полностью расплавленных недр» может быть нестабильным или существовать не так долго, как предполагает модель. Таким образом, ключевая предсказательная сила модели („молодой“ или „старый“ сценарий) зависит от корректности физических параметров, экстраполированных на абсолютно экстремальные условия.

Ранее ученые впервые застали начало формирования планетной системы.