На ледяных карликовых планетах нашли признаки геотермальной активности и подледных океанов

Чтобы понять, как формировалась Солнечная система, астрономы изучают «строительный мусор», который летает за орбитой Нептуна, — транснептуновые объекты. В основном это малые тела, но среди них есть несколько крупных: карликовые планеты Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида. Последние две по размерам уступают лишь Плутону, поэтому так интересуют ученых. Теперь благодаря космическому телескопу «Джеймс Уэбб» астрономы получили новые данные о составе их поверхности.

Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) засек на карликовых планетах соединения метана с повышенной долей тяжелого водорода (дейтерия) и различающимися изотопами углерода. Так ученые впервые получили возможность измерить соотношение дейтерия к водороду в метане Эриды и Макемаке. Разные процессы порождают разные изотопы, поэтому, вооружившись новой информацией, исследователи проанализировали разные сценарии появления метана.

Авторы новой работы выделили три типа метана, который может существовать на Эриде и Макемаке: первичный метан из протопланетного диска, термогенный метан из сложных органических молекул и абиогенный метан от гидротермической переработки оксидов углерода в присутствии горных пород. Метан могут производить и бактерии, но версию о биологическом происхождении ученые, конечно, не рассматривали.

Опираясь на исследования ледяного спутника Сатурна Титана, а также Земли, метеоритов и комет, авторы работы проанализировали разные сценарии и пришли к следующим выводам. Первичного метана на Эриде и Макемаке почти нет, потому что иначе соотношение дейтерия к водороду было бы значительно выше. Возможно, он улетел в космос или разрушился в процессе эволюции этих тел.

Лучше всего под данные наблюдений подходят абиогенный и термогенный метан. Для их образования необходима относительно высокая температура — от 150 до 400 градусов Цельсия. Значит, у этих карликовых планет есть каменное ядро, которое нагрелось от распада радиоактивных элементов. Как следствие, под метановым льдом должна быть жидкая вода. А на поверхность метан попадает за счет криовулканизма.

«Обнаруженное нами соотношение изотопов углерода (13C/12C) говорит об относительно недавнем обновлении поверхности», — прокомментировал Уилл Гранди, астроном из обсерватории Лоуэлла, один из авторов исследования.

На обновление метанового льда указывает и слишком уж высокое альбедо, то есть отражающая способность поверхностей Эриды и Макемаке. Под воздействием космической радиации метан превращается в более тяжелые углеводородные соединения, приобретая красный оттенок — вспомните поверхность Плутона.

Раз поверхность Эриды и Макемаке остается светлой, значит, метановый лед обновляется. Причиной могут быть сезонная сублимация и последующая конденсация метана — он оседает поверх покрасневшей поверхности. Если же слой метана на поверхности достаточно толстый, в нем может идти конвекция: нагревшееся от ядра вещество поднимается вверх, где снова замерзает. Именно поэтому сохраняет белизну равнина Спутника — знаменитое «сердце» на «боку» Плутона.

По результатам исследования авторы написали две работы: с геохимическим анализом наблюдений «Джеймса Уэбба» и разбором теоретических внутренних процессов в этих карликовых планетах. Обе опубликовали в журнале Icarus.

Макемаке и Эрида находятся очень далеко от Солнца. Обе подлетают на расстояние около 38 астрономических единиц (астрономическая единица — расстояние от Земли до Солнца), разве что у Эриды более вытянутая орбита.

Диаметр Макемаке — от 1,4 до 1,5 тысячи километров, что чуть больше Харона, спутника Плутона. Мы пока не знаем точную массу и плотность карликовой планеты, но в 2016 году у нее нашли спутник, так что характеристики удастся получить, когда ученые проанализируют динамику этих тел.

Об Эриде мы знаем больше: она чуть меньше Плутона в диаметре (2,33 тысячи километров), но более плотная. То есть в ее составе больше камней — есть место для хранения тепла от распада элементов. Вероятно, у Макемаке схожая плотность.

Из-за огромного удаления от Солнца температура на поверхности этих тел — примерно минус 238 градусов Цельсия (30-40 кельвин). То, что на столь холодных и далеких от Солнца телах существуют подледные океаны, — большой сюрприз. По расчетам, типичного тепла ядра у карликовых планет не должно хватать для поддержания жидкого океана под поверхностью. Открытие наводит на мысль, что подобные океаны могут быть куда более массовым явлением, чем считалось.