По мнению авторов нового исследования, многие экзопланеты с низкой плотностью, обычно классифицируемые как «водные миры», могут не содержать столь обильных океанов. Вероятнее всего, их состав схож с кометами, встречающимися в Солнечной системе. Кроме того, существует высокая вероятность того, что среди подтвержденных экзопланет есть и миры, покрытые темным налетом.
Подавляющее большинство экзопланет, находящихся в пределах видимой нами области Галактики, обладают массой и радиусом, сопоставимыми с Землей и Нептуном. Характерной особенностью этих субнептунов является более низкая плотность по сравнению с нашей планетой, что указывает на повышенное содержание легких элементов в их составе. Возможно, они обладают плотной атмосферой, состоящей из водорода и гелия. Вероятно, более половины их массы приходится на воду, из-за чего данный тип планет получил такое название «водными мирами».
По мнению ученых, формирование «водного мира» — наиболее вероятный сценарий развития экзопланеты, расположенной за пределами снеговой линии протопланетного диска. Снеговая линия определяет границу, на которой температура снижается до уровня, необходимого для затвердевания летучих веществ, в основном воды. В нынешней Солнечной системе эта граница находится в районе пояса астероидов, между орбитами Марса и Юпитера.
Существует и другое объяснение небольшой плотности субнептунов – высокое содержание «сажи». Под «сажей» ученые подразумевают «тугоплавкий органический углерод», то есть соединения, насыщенные углеродом, водородом, кислородом и азотом (иногда обозначаемые аббревиатурой CHON).
В нашей системе содержится значительное количество «сажи». По приблизительным расчетам, она может составлять около 40 процентов от общей массы комет. Кометы и астероиды, как правило, представляют собой «мусор», который остался после образования Солнечной системы. Следовательно, в протопланетном диске также присутствовало большое количество углеродных соединений. В связи с этим авторы недавнего научного исследования предложили ввести новый термин — «линия сажи».
Новая «линия сажи» располагается на меньшем расстоянии от звезды, чем снеговая граница. Она характеризуется тем расстоянием, на котором углеродные соединения обладают достаточной стабильностью, чтобы существовать в значительных количествах и включаться в состав формирующихся планет. Таким образом, вблизи звезды возникают каменистые планеты, за ними следуют планеты, состоящие из «сажи», а дальше располагаются «водные миры». Последние, тем не менее, также должны содержать большое количество углеродных соединений.
Масса углеродных соединений в планетах, напоминающих «сажи», способна составлять до 25 процентов от их общей массы. Согласно проведенным расчетам, определить такие миры можно, анализируя состав их атмосферы. Геологические процессы, происходящие в недрах этих планет, должны обуславливать формирование атмосферы, насыщенной метаном и содержащей углеводородный туман. Таким образом, планеты-«сажи», скорее всего, похожи на Титан, спутник Сатурна.
«Водные миры» в обновленной классификации не столь уж и водные. В рамках исследования авторы предложили разделять эти планеты на два типа: сухие и мокрые. Сухие планеты характеризуются содержанием воды, не превышающим четверть своей массы, а у мокрых оно достигает половины. При этом даже на мокрых мирах доля «сажи» должна составлять от 15 до 20 процентов их массы.
Различение планет, классифицируемых как «сажни» и «водные миры», по массе и радиусу невозможно. Обнаружение нового типа планет среди подтвержденных субнептунов станет возможным лишь при наличии информации об их атмосферах. В настоящее время космический телескоп «Джеймс Уэбб» собирает такие данные. Авторы нового исследования выделили среди изученных миров TOI-270 d — учитывая большое количество углекислого газа и метана в атмосфере, а также высокое соотношение углерода к кислороду, эта планета, вероятно, представляет собой «сажевый» мир».
Является ли возможным существование жизни на планетах, состоящих преимущественно из углерода? Однозначного ответа нет. С одной стороны, значительное количество углеродных соединений может привести к затвердеванию внутренних слоев. В этом случае планета лишится геологической активности, необходимой для доставки жизненно важных веществ на поверхность, а также магнитосферы, способной защитить её от вредного излучения. С другой стороны, высокое содержание метана в атмосфере и наличие воды на поверхности создают благоприятные условия для начала предорганических химических процессов.
Статья ученых выложена в открытый доступ на портале arXiv.