Эрида и Макемаке — карликовые планеты, расположенные на большом расстоянии от Солнца и обладающие высокой отражательной способностью. Это объясняется тем, что их поверхность покрыта свежим метановым льдом. Проанализировав различные варианты формирования этого льда, исследователи установили, что внутренние слои этих планет значительно теплее, чем считалось ранее.
Астрономы исследуют транснептуновые объекты, расположенные за орбитой Нептуна, чтобы узнать, как образовалась Солнечная система. Эти объекты часто называют «строительным мусором». В их число входят преимущественно небольшие тела, однако среди них присутствуют и крупные: карликовые планеты Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида. Последние две по размерам немного меньше Плутона, что вызывает повышенный интерес у исследователей. Теперь благодаря космическому телескопу «Джеймс Уэбб» астрономы получили новые данные о составе их поверхности.
Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) выявил на карликовых планетах соединения метана, характеризующиеся повышенным содержанием тяжелого водорода (дейтерия) и различными изотопами углерода. Это позволило ученым впервые определить соотношение дейтерия к водороду в метане Эриды и Макемаке. Поскольку различные процессы приводят к образованию разных изотопов, исследователи использовали полученные данные для анализа возможных сценариев формирования метана.
В новой работе авторы определили три вида метана, который потенциально может присутствовать на Эриде и Макемаке: первичный метан, образовавшийся из протопланетного диска, термогенный метан, возникающий в результате разложения сложных органических молекул, и абиогенный метан, который образуется при гидротермической переработке оксидов углерода в контакте с горными породами. Хотя метан может образовываться и в результате деятельности бактерий, ученые не рассматривали возможность его биологического происхождения.
Анализ данных, полученных при изучении ледяного спутника Сатурна Титана, Земли, метеоритов и комет, позволил авторам работы рассмотреть различные сценарии и сделать следующие заключения. На Эриде и Макемаке наблюдается крайне низкое содержание первичного метана, поскольку в противном случае соотношение дейтерия к водороду было бы гораздо выше. Вероятно, этот газ был потерян в космосе или распался в ходе эволюции этих объектов.
Абиогенный и термогенный метан представляются наиболее вероятными источниками, объясняющими полученные данные. Их формирование требует температуры от 150 до 400 градусов Цельсия. Это указывает на наличие каменного ядра у этих карликовых планет, разогретого за счет радиоактивного распада. Соответственно, под слоем метанового льда может существовать жидкая вода. Метан же поднимается на поверхность посредством криовулканизма.
«По словам Уилла Гранди, астронома из обсерватории Лоуэлла и одного из авторов исследования, выявленное нами соотношение изотопов углерода (13C/12C) указывает на недавнее обновление поверхности.
Высокое альбедо, или отражающая способность, поверхности Эриды и Макемаке свидетельствует об обновлении метанового льда. Под воздействием космической радиации метан преобразуется в более сложные углеводородные соединения, что приводит к появлению красного оттенка, как это наблюдается на поверхности Плутона.
Поскольку поверхности Эриды и Макемаке остаются светлыми, это указывает на обновление метанового льда. Вероятной причиной является сезонная сублимация с последующей конденсацией метана, который оседает на красноватую поверхность. Если слой метана достаточно толстый, в нем может возникать конвекция: вещество, нагретое ядром, поднимается вверх и снова замерзает. Благодаря этому сохраняет белизну равнина Спутника — знаменитое «сердце» на «боку» Плутона.
В ходе исследования были подготовлены две работы, одна из которых посвящена геохимическим анализом наблюдений «Джеймса Уэбба» и разбором теоретических внутренних процессов в этих карликовых планетах. Обе опубликовали в журнале Icarus.
Макемаке и Эрида располагаются на значительном удалении от Солнца. Они приближаются к нему на расстояние примерно в 38 астрономических единиц (астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца), хотя орбита Эриды имеет более вытянутую форму.
Диаметр Макемаке составляет от 1,4 до 1,5 тысячи километров, что превышает диаметр Харона, спутника Плутона. Точная масса и плотность карликовой планеты пока неизвестны, однако в 2016 году был обнаружен её спутник, что позволит определить эти характеристики после анализа динамики взаимодействия между ними учеными.
Об Эриде располагаем более обширными сведениями: ее диаметр немного меньше, чем у Плутона (2,33 тысячи километров), однако плотность выше. Это указывает на более высокое содержание каменных пород в ее структуре, что позволяет удерживать тепло, выделяемое при распаде элементов. Предположительно, Макемаке обладает аналогичной плотностью.
Огромное удаление от Солнца приводит к тому, что температура поверхности этих тел составляет приблизительно минус 238 градусов Цельсия (30-40 кельвин). Наличие подледных океанов на столь холодных и удаленных от Солнца объектах является неожиданным открытием. Согласно расчетам, у карликовых планет недостаточно тепла в ядре для поддержания жидкого океана под поверхностью. Это открытие позволяет предположить, что подобные океаны могут быть гораздо более распространены, чем предполагалось ранее.