Есть ли жизнь на суперземлях? Ответ может скрываться в их ядрах

Скалистые планеты, крупнее Земли — так называемые суперземли — неожиданно распространены в нашей Галактике и считаются наиболее вероятными кандидатами на обитаемость. Понимание их внутренней структуры поможет предсказать, способны ли разные планеты генерировать магнитные поля, которые считаются благоприятными для выживания жизни.

Атмосферная вода была обнаружена европейскими учеными на планете K2-18 b в 124 световых годах от нас. Возможно, на этом далеком мире формируются облака и даже идет дождь. Планета находится в так называемой обитаемой зоне, с температурой, которая может позволить жизни процветать.

Эта скалистая планета в восемь раз массивнее Земли и известна как суперземля — название для планет размером между Землей и Нептуном. "Суперземли — на самом деле самый распространенный тип планет в нашей галактике", — сказал доктор Ингo Вальдманн, исследователь экзопланет из Университетского колледжа Лондона. Суперземли также являются возможными местами обитания внеземной жизни.

С момента открытия в 1995 году первой планеты, вращающейся вокруг звезды за пределами нашей Солнечной системы, телескоп Kepler увеличил темп открытий — сейчас известно около 4000 экзопланет. Изначально наиболее распространенными казались крупные газовые гиганты близ своих звезд ("горячие юпитеры"), но по мере накопления данных о суперземлях их обилие стало загадкой для ученых.

Разнообразие

Большинство этих загадочных планет обнаруживают, когда они проходят (транзитом) перед маленькими звездами и вызывают потускнение звездного света. Из этого исследователи могут вычислить массу и радиус планеты. Данные свидетельствуют, что эти миры невероятно разнообразны по своему составу.

"Суперземли действительно могут быть самыми разными", — говорит доктор Вальдманн. Он приводит примеры: планета 55 Рака e с лавовым океаном при температурах, достаточных для плавления железа, и Gliese 1214 b — потенциальная океаническая планета, состоящая в основном из воды. Ученые определяют, какие молекулы находятся в атмосфере планеты, изучая звездный свет, проходящий сквозь нее.

Знать, что происходит внутри этих далеких планет, гораздо сложнее. "Мы можем изучать поверхность звезды, чтобы получить подсказки о химии и составе планеты, что дает нам представление о том, сколько железа или кремния может быть на планете", — говорит доктор Разван Каракас, планетарный минералог из Высшей нормальной школы Лиона, Франция.

Это важно, потому что в зависимости от наличия твердого ядра (возможно, из никеля или никеля и железа) и жидкого металлического внешнего ядра, у планеты может быть или не быть магнитного поля. Магнитное поле Земли защищает нас от большей части солнечной радиации, отклоняя поток заряженных частиц. Исследователи полагают, что подобный щит необходим для возникновения жизни в других местах.

Доктор Каракас курировал проект ABISSE, в котором проводились компьютерные симуляции различных смесей железа и никеля при экстремально высоких давлениях, чтобы увидеть их поведение. Эти металлы, вероятно, находятся в ядре суперземель, но неясно, смешиваются ли железо и никель, разделяются на разные слои или становятся жидкими при огромных давлениях внутри крупных планет.

Понимая тип структуры ядра, который может возникнуть из-за пропорций никеля и железа, ученые надеются понять, что может происходить внутри суперземель, основываясь на данных об их химическом составе.

Защита

"Два ядра могут вести себя по-разному: у одного может быть магнитное поле, а у другого — нет", — объясняет доктор Каракас. "Более сильное магнитное поле обеспечивает лучшую защиту поверхности от солнечных лучей, а это означает, что могут образовываться более сложные органические молекулы".

Доктор Гийом Фике, экспериментальный физик из CNRS и Университета Сорбонны в Париже, также пытается понять внутреннее строение суперземель через проект PLANETDIVE. "Когда говорят об обитаемости планет, это часто связано с наличием магнитного поля, которое само по себе связано с наличием металлического ядра или, по крайней мере, проводящего материала (в активном движении)", — говорит он.

Он исследует, как такие материалы, как железо, ведут себя под давлением внутри суперземель, которое может достигать 1 терапаскаля — в три раза больше, чем внутри Земли. Это сжимает атомы и может изменить свойства материалов, а значит, наши знания об их поведении на Земле могут не применяться к экзопланетам.

"Экзопланеты могут быть крупнее Земли, что означает, что давления и температуры могут быть намного выше", — говорит доктор Фике. — "Это заставляет нас пытаться разрабатывать новые инструменты для доступа к особым состояниям материи, которые мы еще не знаем".

Доктор Фике проливает свет на эту загадку, воссоздавая высокие температуры и экстремальные давления, которые могут быть в сердце этих экзотических планет. Он делает это в исчезающе малых масштабах, стреляя мощными лазерами в крошечные частицы металла или сжимая их между микроскопическими алмазными наковальнями.

Эта экспериментальная установка помогла ему построить кривые плавления для таких элементов, как железо, которые, вероятно, находятся в ядре суперземель под огромным давлением. Эти данные затем можно использовать для уточнения свойств материалов, которые ученые применяют для моделирования процессов в недрах суперземель и, в конечном счете, для лучшего понимания их общего химического состава.

Тем временем доктор Вальдманн возглавляет исследования по использованию искусственного интеллекта (ИИ) для помощи астрономам в обработке данных о суперземлях из будущих открытий экзопланет. "Нам нужен ИИ, потому что все эти данные чрезвычайно сложно анализировать, и мы будем работать на пределе возможностей ручной обработки", — сказал доктор Вальдманн.

Суперземли — главные кандидаты на существование внеземной жизни. Его ИИ, разработанный в рамках проекта ExoAI, поможет астрономам интерпретировать наблюдения за химическими веществами в атмосфере экзопланеты и определить, представляет ли суперземля интерес для дальнейшего изучения.

"Это Святой Грааль, — добавил доктор Вальдманн. — Найти в атмосфере суперземли химические сигнатуры, обусловленные жизнью. Надеюсь, мы сделаем это в ближайшие пару лет или десятилетий".