Почему большинство экзопланет — это миры магмы

В астрономии существует понятие «вырожденность». Оно не связано с девиантным поведением, а описывает данные, которые можно интерпретировать несколькими способами. Иногда такая интерпретация приводит к захватывающим новым гипотезам. Но часто более приземлённые объяснения игнорируются в пользу более интересных версий, которые привлекают внимание.

Похоже, это произошло со многими недавно открытыми «субнептунами». Некоторые теории описывали их как «гицеановые миры» — планеты, покрытые океанами воды или льдом. Однако новая статья Робба Колдера из Кембриджского университета и его соавторов, доступная на сервере препринтов arXiv, показывает, что, скорее всего, эти планеты почти полностью состоят из расплавленной магмы.

Споры во многом связаны с химическими сигнатурами, обнаруженными в атмосферах этих планет. Наиболее известный пример — планета K2-18, которую предложили считать гицеановым миром из-за химического состава её атмосферы. Предыдущие исследования обнаружили в её атмосфере метан и диоксид углерода, но почти не нашли аммиака. Согласно этим работам, это было «неопровержимым доказательством» существования океана жидкой воды под водородной атмосферой, поскольку вода естественным образом растворяет аммиак.

Но есть нечто, что растворяет аммиак не хуже — расплавленная порода. Таким образом, отсутствие аммиака с одинаковой вероятностью может быть признаком как жидкой магмы, так и жидкой воды. Чтобы доказать свою точку зрения, авторы новой статьи смоделировали термическую эволюцию «газовых карликов» — альтернативного планетарного состава, который также хорошо соответствует собранным данным о гицеановых мирах. Ключевым вопросом было, сохранили ли эти уникальные экзопланеты, не имеющие аналогов в нашей Солнечной системе, свои магматические океаны в процессе эволюции, что оказало бы заметное влияние на их атмосферы по мере старения.

Простой ответ на этот вопрос — да. Почти все обнаруженные на сегодня субнептуны сохранили бы свои магматические океаны в течение всей жизни. Согласно статье, для 98% из них версия о мире магмы объясняет данные так же хорошо, как и версия о гицеановом мире.

Для доказательства авторы разработали метрику, которую назвали Границей отвердевания. Она связывает эффективную температуру звезды, вокруг которой обращается планета, с потоком облучения (количеством энергии, получаемым атмосферой) от той же звезды. Поток облучения напрямую влияет на температуру атмосферы экзопланеты, а эффективная температура звезды — это просто параметр, легко доступный для большинства исследуемых звёзд. Более подробное объяснение потребовало бы учёта доли массы оболочки (т.е. того, какая часть массы планеты заключена в её атмосфере), но эти данные отсутствовали для многих планет в наборе.

Граница отвердевания даёт чёткий критерий для определения, получает ли планета достаточно тепла для поддержания магматического океана. Если планета находится «выше» этой границы — да. Если «ниже» — её мантия со временем остынет, и она перестанет быть лавовым миром.

Для расчёта положения планеты относительно этой линии авторы использовали модель PROTEUS, описывающую внутренний климат планеты. Они обнаружили, что 98% из тысяч смоделированных субнептунов (самого распространённого на сегодня типа экзопланет) оказались выше Границы отвердевания, что означает их вероятную принадлежность к мирам магмы, а не к гицеановым мирам.

Хотя это может разочаровать многих астробиологов, искавших на таких планетах потенциальные признаки жизни, данная модель полезна для понимания динамики формирования планет. В эволюции каждой экзопланеты действуют сложные взаимодействующие силы, но субнептуны особенно трудно изучать, поскольку мы можем наблюдать их только издалека.

По мере совершенствования технологий и сбора большего количества данных об этих многочисленных экзопланетах, возможно, мы сможем окончательно разрешить проблему вырожденности в их интерпретации. А до тех пор, возможно, не стоит возлагать слишком больших надежд на обилие водных миров.