Железное ядро, силикатная мантия, кора, а сверху — океаны. Так устроена Земля. Долгое время эту модель переносили и на планеты других звездных систем. Но картина оказалась куда сложнее. Ученые из Швейцарии и США смоделировали распределение воды в недрах суперземель и субнептунов и выяснили, что основной ее объем находится вовсе не на поверхности.
Магматический океан, который содержит воду, но на поверхности только небольшое количество. Так художник представил себе землеподобную планету GJ 1214 b / © NASA, JPL-Caltech, R. Hurt
Астрономы открывают главным образом планеты, расположенные очень близко к своей звезде. Это так называемые лавовые миры, не остывшие до конца, чтобы сформировать твердую силикатную мантию, как у Земли. Вода прекрасно растворяется в магматических расплавах, в отличие, к примеру, от диоксида углерода, который быстро выделяется и поднимается в атмосферу. Что с ней происходит дальше?
«Для образования железного ядра нужно время. Большая доля металла изначально содержится в магматическом расплаве в форме капель. Вода присоединяется к ним и опускается в ядро. Железные капли выступают как лифт для воды», — пояснила Каролина Дорн из Института ядерной физики и астрофизики при Швейцарской высшей технической школе Цюриха.
Вместе с коллегами из Принстонского университета (США) она опубликовала статью в журнале Nature Astronomy, в которой смоделировала поведение воды в недрах планет.
Недавно исследователи показали, что большая часть воды содержится в ядре Земли: по одним данным, 37 процентов, по другим — до 73. У воды большой коэффициент разделения между железом и силикатами в условиях формирования ядра (давление — до 135 гигапаскалей, температура — 4200 кельвинов).
Суперземли и субнептуны намного массивнее, поэтому ядро развивается при гораздо больших давлении и температуре: до 1400 гигапаскалей и 14 000 кельвинов соответственно. Чтобы оценить объем воды, спрятанной в недрах, авторы вычислили коэффициент разделения, прибегнув к моделированию молекулярной динамики вместе с термодинамическим интегрированием без опоры на экспериментальные данные, исходя только из законов природы. Расчеты провели для четырех сценариев планетных недр.
Выяснилось, что в планетах в шесть или менее земных масс вода хранится в основном в мантии, а в более массивных (их открыто большинство) — в ядре. Хотя ядро по объему меньше мантии, при некоторых условиях железо может абсорбировать в 70 раз больше воды, чем силикаты. Учитывая огромное давление в ядре, вода не образует молекулы H2O, а пребывает как водород и кислород. К примеру, планета в девять земных масс при равновесной температуре 1000 кельвинов с массовой долей воды 50 процентов будет больше половины ее хранить в ядре, 41 процент — в мантии, только три процента — на поверхности.
Новая информация о распределении воды в планетах непосредственно влияет на интерпретацию астрономических данных. Наблюдения с помощью телескопов позволяют оценивать массу и размер планет. Но при расчетах обычно опускают воду. Ее количество может быть занижено в десятки раз. Как следует из нового исследования, планеты гораздо более насыщены водой, чем считалось.
Этот подход, к примеру, может объяснить необычно низкую плотность планеты 55 Рака e, радиус которой почти в два раза больше земного. Если вода с поверхности и из мантии потеряна, то ядро все еще значительно обогащено ею. Из этого следует, что планета сформировалась из богатого водой материала за снеговой линией.
