Большинство лавовых планет оказались похожими на торт

Наша планета, как и любое подобное космическое тело, проходит различные стадии эволюции. Например, по мнению многих геологов, 4,5 миллиарда лет назад после формирования молодая Земля переживала фазу океана магмы. Тогда на планете были экстремальные температуры, а ее поверхность состояла из расплавленной магмы. Постепенно ядро охладилось, через каких-то 100 миллионов лет магма затвердела и кристаллизовалась, появились первые горные породы. Спустя еще несколько сотен миллионов лет стала образовываться земная кора. 

Cегодня у ученых нет полной картины формирования молодой Земли (как и других планет земной группы), пока в точности не известны механизмы, которые запустили «адские условия» на ее поверхности. Непонятно, как сильно эти процессы повлияли на дальнейшее ее развитие, и вообще могли ли они стать причиной возникновения жизни. 

Можно ли разобраться в этих вопросах? Ведь вернуться в прошлое, чтобы исследовать молодую Землю научными приборами, не под силу никому. Один из способов — изучить планеты, которые находятся на стадии эволюции (хотя бы относительно похожей), на которой была Земля миллиарды лет назад. В Солнечной системе таких тел нет, но они есть за ее пределами — и это экзопланеты.

Речь о лавовых мирах — типе землеподобных экзопланет, поверхность которых частично или полностью покрыта океаном расплавленной магмы. Самый известный их представитель — «суперземля» 55 Рака e (55 Cancri e), открытая в 2004 году американскими учеными методом доплеровской спектроскопии. Она находится на расстоянии 41 светового года от Солнца.

Экзопланета вращается вокруг солнцеподобной звезды 55 Рака A в двойной системе 55 Рака и расположена достаточно близко к родительскому светилу — полный оборот вокруг него она делает за 18 часов. 

Масса 55 Рака e равна восьми массам Земли, а диаметр составляет около двух диаметров нашей планеты. С помощью космических телескопов ученые выяснили, что экзопланета находится в приливном захвате: одной стороной она всегда обращена к материнской звезде (дневная), а другая все время погружена в тень (ночная). На поверхности 55 Рака e очень жарко. Дневная сторона нагрета до 2400 градусов Цельсия и представляет собой сплошной океан магмы, на ночной температура достигает 1100 градусов. 

Пока открыто очень мало экзопланет того же класса, что 55 Рака e, — их количество можно пересчитать по пальцам. Поскольку такие объекты недостаточно исследованы, ученым не просто изучить их устройство и геологические процессы, которые там протекают. 

Группа ученых из Университета штата Огайо и Юго-западного исследовательского института (оба в США) под руководством астронома Кирстен Болей воспользовалась программой моделирования каменистых экзопланет ExoPlex и всеми имеющимися научными данными о лавовых мирах, чтобы построить модель воздействия магмы на эволюцию этих тел. Результаты работы опубликованы в Astrophysical Journal.

«Магма менее плотная чем окружающие ее твердые породы, однако с увеличением давления она становится более сжимаемой. Поэтому неясно, как огромные океаны магмы могут повлиять на размеры и плотность планеты. Это мы и попытались выяснить», — пояснила Болей.  

Ученые смоделировали несколько сценариев эволюции каменистых землеподобных планет с температурой поверхности от 1427 до 2127 градусов Цельсия. Исследователи подбирали температуру, при которой произошло бы плавление твердой мантии (магма возникает в мантии).

Модели выявили, что лавовые планеты могут существовать в трех вариантах:

1. С полностью расплавленной мантией;

2. Лишь с поверхностным океаном магмы, под которым лежат твердые породы;

3. Или в виде «трехслойного торта», состоящего из поверхностного океана магмы, слоя твердой породы и еще одного слоя расплавленной магмы, расположенного ближе к ядру планеты.

Результаты исследования показали, что второй и третий типы лавовых планет намного чаще встречаются во Вселенной, чем первый тип. Кроме того, лавовые планеты в виде «трехслойного торта», лишенные атмосферы, должны лучше других подобных объектов удерживать летучие органические соединения, содержащие кислород и углерод, которые необходимы для формирования газовых оболочек (ученые считают, что на это может уйти миллиард лет, а на то, чтобы стать потенциально обитаемыми, еще несколько миллиардов). 

Согласно выводам авторов работы, «трехслойные» лавовые миры, которые в четыре раза массивнее Земли, могут удерживать в 130 раз больший объем воды, чем во всех земных океанах, а также хранить примерно в 1000 раз больше углерода, чем содержится на поверхности нашей планеты и в земной коре.

«Огромные расплавленные океаны магмы могут воздействовать на физические свойства горячих суперземель — например, влиять на их размер. Из-за чрезвычайно сжимаемой магмы такие океаны могут привести к тому, что лавовые миры, лишенные атмосферы, будут более плотными, чем каменистые планеты аналогичного размера», — объяснила Болей.  

Астроном отметила, что если ученые узнают, как состав океанов магмы связан с эволюцией лавовых планет, как долго эти расплавленные океаны могут находятся в таком состоянии и по каким причинам они могут остыть, это даст ключ к разгадке тайн формирования молодой Земли и других планет земной группы.