Астрономы полагают, что загадочные «паровые миры» способны предоставить важные сведения о потенциальных местах обитания жизни за пределами нашей планеты. Новое исследование, проведенное учеными Калифорнийского университета в Санта-Крузе, показывает, что взаимодействие воды в условиях крайне высоких давлений и температур, характерных для планет, известных как суб-Нептуны, может приводить к образованию необычных состояний воды, в том числе сверхкритических жидкостей и суперионного льда.
Полученные результаты могут оказаться полезными для анализа информации, полученной с телескопа «Джеймс Уэбб», и других будущих проектов, целью которых является исследование наиболее распространенного типа планет в нашей галактике. Субнептуны – планеты, превышающие по размеру Землю, но уступающие Нептуну – составляют основную массу экзопланет, идентифицированных на сегодняшний день. В отличие от ледяных спутников, присутствующих в нашей Солнечной системе, эти планеты вращаются на небольшом расстоянии от своих звёзд и обладают плотными паровыми атмосферами. Учитывая крайне высокие температуры, несовместимые с наличием жидкой воды, исследователи долгое время размышляли о возможности поддержания химических реакций, необходимых для жизни, в подобных условиях.
Несмотря на то, что концепция «паровых миров» была впервые выдвинута примерно двадцать лет назад, современные наблюдения подтверждают их реальность. Телескоп «Джеймс Уэбб» уже зафиксировал наличие водяного пара вокруг нескольких планет, подобных Нептуну, и в перспективе ожидается изучение множества других. Однако сведения о внутреннем устройстве этих планет, скрытые под атмосферой, остаются в основном неясными.
Для устранения этой недостаточности, группа ученых во главе с Артемом Агишиным, в сотрудничестве с Натали Баталхой и Джонатаном Фортни, создала новую модель, предназначенную для планет с большим количеством воды. Их работа, представленная в The Astrophysical Journal, сочетает лабораторные результаты, демонстрирующие поведение воды в экстремальных условиях, и превосходит предыдущие модели, которые разрабатывались для ледяных спутников, например, Европы или Энцелада.
Вода в недрах суб-Нептунов может находиться в нестандартных состояниях, не являющихся паром или жидкостью. При экстремально высоких температурах и давлении она способна переходить в сверхкритическую жидкость, сочетающую характеристики газа и жидкости, или в суперионный лёд – экзотическую форму, где ионы водорода перемещаются сквозь кристаллическую структуру, образованную кислородом. Исследователям удалось временно создать оба этих состояния в лабораторных условиях, однако точное прогнозирование их свойств остаётся непростой задачей.
По словам Натали Баталха, внутреннее строение планет представляет собой природные «лаборатории», где можно исследовать условия, которые сложно воссоздать на Земле. Водные планеты в этом отношении особенно интересны. Встраивая эти уникальные состояния в свои модели, ученые надеются установить более тесную связь между тем, что фиксируют телескопы в атмосфере планеты, и процессами, протекающими в её недрах.
Суб-Нептуны существенно отличаются от ледяных спутников как по массе, так и по внутреннему строению: их масса в десять-сто раз больше, а вместо твёрдой ледяной оболочки они не имеют. Тем не менее, их плотные паровые атмосферы и слои сверхкритической воды способны создавать условия для протекания химических реакций, неизвестных нам. Модели, разработанные командой исследователей, также учитывают изменения, которым подвергаются суб-Нептуны на протяжении времени, воспроизводя перемещение воды в их недрах в течение миллионов или миллиардов лет. Такой эволюционный подход может оказаться ключевым для выявления признаков, указывающих на возможность существования жизни, в различных планетных системах.
Планируемые исследования позволят убедиться в достоверности этих прогнозов. Телескоп «Джеймс Уэбб» продолжит наблюдение за субнептунами, а миссия Европейского космического агентства PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) в дальнейшем предоставит новые сведения.
Несмотря на то, что суб-Нептуны, вероятно, слишком горячи для существования жизни, привычной нам, изучение их богатых водой недр может существенно повлиять на поиск планет, пригодных для обитания. Учитывая, что это наиболее распространенный тип планет в нашей галактике, исследование их внутреннего строения позволяет астрономам глубже понять, как вода – одна из самых распространенных молекул во Вселенной – воздействует на развитие планет и их потенциал для зарождения жизни. По словам Натали Баталха, в перспективе возможно, что часть этих водных миров окажется новым видом среды обитания в галактике.