Новая модель для изучения «паровых миров» за пределами Солнечной системы
Астробиологи считают, что поиск жизни за пределами Солнечной системы должен быть сосредоточен там, где есть вода. Один из самых распространённых типов экзопланет — «субнептуны» — имеет размер и массу, указывающие на богатое водой недро. Их размер и масса находятся между земными и нептунианскими.
Однако эти экзопланеты обычно находятся гораздо ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу, поэтому слишком горячи для жидкой воды на поверхности. Вместо этого у них должны быть атмосферы из пара и слои экзотической фазы воды, которая ведёт себя ни как газ, ни как жидкость. Интерес к точному составу и эволюции этих «паровых миров», предсказанных 20 лет назад, растёт.
Астробиологи и астрономы из Калифорнийского университета в Санта-Круз разработали более точный способ моделирования этих миров, чтобы понять их состав и происхождение. «Когда мы поймём, как формируются самые распространённые планеты во Вселенной, мы сможем сосредоточиться на менее распространённых экзопланетах, которые могут быть обитаемыми», — сказал Артём Агишин, постдокторант UC Santa Cruz, руководивший разработкой новой модели.
Работа описана в статье, опубликованной 24 июля в The Astrophysical Journal, соавторами которой являются профессор Натали Баталья, руководитель астробиологической инициативы UC Santa Cruz, и профессор Джонатан Фортен, заведующий кафедрой астрономии и астрофизики университета.
Не просто ледяные спутники
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) впервые подтвердил наличие пара на нескольких субнептунах. Астрономы ожидают, что JWST наблюдает ещё десятки таких планет, поэтому модели критически важны для связи данных наблюдений с внутренним строением.
Исторически модели для характеристики субнептунов были разработаны для изучения ледяных спутников в нашей Солнечной системе, таких как Европа (Юпитер) и Энцелад (Сатурн). Агишин отмечает, что сложные модели могут помочь интерпретировать данные телескопов вроде JWST о субнептунах.
Ледяные спутники — это небольшие компактные тела со слоистой структурой: ледяная кора над океанами жидкой воды. Субнептуны сильно отличаются. Они гораздо массивнее — в 10–100 раз — и находятся гораздо ближе к своим звёздам. У них нет ледяной коры и жидких океанов. Вместо этого у них формируются толстые паровые атмосферы и слои «сверхкритической воды».
Эта экзотическая фаза воды была воссоздана и изучена в лабораториях на Земле. Её поведение гораздо сложнее, чем у простой жидкой воды или льда, что затрудняет точное моделирование. Некоторые модели предполагают, что в условиях экстремального давления и температуры внутри субнептунов вода может даже превращаться в «суперионный лёд» — фазу, в которой молекулы воды реорганизуются так, что ионы водорода свободно движутся через решётку кислорода.
Эта фаза была получена в лаборатории и, как считается, существует в глубоких недрах Урана, Нептуна и, возможно, субнептунов. Поэтому для моделирования субнептунов исследователям необходимо понимать, как вода ведёт себя в виде чистого пара, сверхкритической жидкости и в экстремальных состояниях, таких как суперионный лёд. Новая модель команды учитывает экспериментальные данные о физике воды в экстремальных условиях и развивает необходимую теоретическую базу.
«Недра планет — это естественные "лаборатории" для изучения условий, которые трудно воспроизвести в университетской лаборатории на Земле. То, что мы узнаем, может иметь непредвиденные применения. Водные миры особенно экзотичны в этом смысле», — пояснила Баталья. «В будущем мы можем обнаружить, что часть этих водных миров представляет собой новые ниши для жизни в галактике».
Моделируя распределение воды в этих распространённых экзопланетах, учёные могут проследить, как вода — одна из самых распространённых молекул во Вселенной — перемещается во время формирования планетных систем. Агишин отметил, что вода обладает рядом удивительных свойств:
- Она является одновременно химической кислотой и основанием, участвуя в химическом балансе.
- Она хорошо растворяет соли, сахара и аминокислоты.
- Она создаёт водородные связи, что придаёт воде более высокую вязкость, температуру кипения, теплоёмкость и другие свойства.
«Жизнь можно понимать как сложность, — сказал Агишин, — а вода обладает широким спектром свойств, которые делают эту сложность возможной».
Взгляд в прошлое и будущее
Он также подчеркнул, что их моделирование фокусируется не на статических снимках субнептунов, а учитывает их эволюцию в течение миллионов и миллиардов лет. Поскольку свойства планет значительно меняются со временем, моделирование этой эволюции необходимо для точных прогнозов.
Модель скоро будет проверена продолжающимися наблюдениями с JWST, а также будущими миссиями, такими как предстоящий запуск Европейским космическим агентством телескопа PLATO (PLAnetary Transit and Oscillation of stars), предназначенного для поиска землеподобных планет в обитаемой зоне их звезды.
«PLATO сможет сказать нам, насколько точны наши модели и в каком направлении их нужно дорабатывать, — сказал Агишин. — Так что наши модели сейчас делают прогнозы для телескопов, одновременно помогая формировать следующие шаги в поиске жизни за пределами Земли».