Більшість лавових планет виявилися схожими на торт
Лавові світи – екзопланети, що нагадують гарячу молоду Землю. Вивчення цих об’єктів дуже важливе для вчених, бо може пролити світло на невідомі процеси еволюції планет земної групи. Американські дослідники побудували модель, за допомогою якої визначили, який тип лавових світів найпоширеніший у космосі, а також дізналися, як саме океани розплавленої магми можуть впливати на характеристики таких екзопланет.
Наша планета, як і будь-яке подібне космічне тіло, проходить різні стадії еволюції. Наприклад, на думку багатьох геологів, 4,5 мільярда років тому після формування молода Земля переживала фазу океану магми. Тоді на планеті були екстремальні температури, а її поверхня складалася з розплавленої магми. Поступово ядро охололо, через якихось 100 мільйонів років магма затверділа і кристалізувалася, з’явилися перші гірські породи. Ще через кілька сотень мільйонів років почала утворюватися земна кора.
Сьогодні у вчених немає повної картини формування молодої Землі (як і інших планет земної групи), поки достеменно не відомі механізми, які запустили “пекельні умови” на її поверхні. Незрозуміло, як сильно ці процеси вплинули на подальший її розвиток, і чи взагалі могли вони стати причиною виникнення життя.
Чи можна розібратися в цих питаннях? Адже повернутися в минуле, щоб дослідити молоду Землю науковими приладами, не під силу нікому. Один зі способів – вивчити планети, які перебувають на стадії еволюції (хоча б відносно схожій), на якій була Земля мільярди років тому. У Сонячній системі таких тіл немає, але вони є за її межами – і це екзопланети.
Мова про лавові світи – тип землеподібних екзопланет, поверхня яких частково або повністю вкрита океаном розплавленої магми. Найвідоміший їхній представник – “суперземля” 55 Рака e (55 Cancri e), відкрита 2004 року американськими вченими методом доплерівської спектроскопії. Вона розташована на відстані 41 світлового року від Сонця.
Екзопланета обертається навколо сонцеподібної зірки 55 Рака A у подвійній системі 55 Рака і розташована досить близько до батьківського світила – повний оберт навколо нього вона робить за 18 годин.
Маса 55 Рака e дорівнює восьми масам Землі, а діаметр становить близько двох діаметрів нашої планети. За допомогою космічних телескопів учені з’ясували, що екзопланета перебуває в приливному захопленні: одним боком вона завжди повернута до материнської зірки (денний), а інший увесь час занурений у тінь (нічний). На поверхні 55 Рака e дуже спекотно. Денний бік нагрітий до 2400 градусів Цельсія і являє собою суцільний океан магми, на нічному – температура досягає 1100 градусів.
Поки що відкрито дуже мало екзопланет того ж класу, що 55 Рака e, – їхню кількість можна перерахувати на пальцях. Оскільки такі об’єкти недостатньо досліджені, вченим непросто вивчити їхню будову та геологічні процеси, які там протікають.
Екзопланета 55 Рака e в уявленні художника / ESA
Група вчених з Університету штату Огайо і Південно-західного дослідницького інституту (обидва в США) під керівництвом астронома Кірстен Болей скористалася програмою моделювання кам’янистих екзопланет ExoPlex і всіма наявними науковими даними про лавові світи, щоб побудувати модель впливу магми на еволюцію цих тіл. Результати роботи опубліковані в Astrophysical Journal.
“Магма менш щільна, ніж тверді породи, що її оточують, проте зі збільшенням тиску вона стає більш стисливою. Тому неясно, як величезні океани магми можуть вплинути на розміри і щільність планети. Це ми і спробували з’ясувати”, – пояснила Болей.
Вчені змоделювали кілька сценаріїв еволюції кам’янистих землеподібних планет з температурою поверхні від 1427 до 2127 градусів Цельсія. Дослідники підбирали температуру, за якої відбулося б плавлення твердої мантії (магма виникає в мантії).
Моделі виявили, що лавові планети можуть існувати в трьох варіантах:
- З повністю розплавленою мантією;
- лише з поверхневим океаном магми, під яким лежать тверді породи;
3) Або у вигляді “тришарового торта”, що складається з поверхневого океану магми, шару твердої породи і ще одного шару розплавленої магми, розташованого ближче до ядра планети.
Результати дослідження показали, що другий і третій типи лавових планет набагато частіше зустрічаються у Всесвіті, ніж перший тип. Крім того, лавові планети у вигляді “тришарового торта”, позбавлені атмосфери, мають краще за інші подібні об’єкти утримувати летючі органічні сполуки, що містять кисень і вуглець, які необхідні для формування газових оболонок (вчені вважають, що на це може піти мільярд років, а на те, щоб стати потенційно населеними, ще кілька мільярдів).
Згідно з висновками авторів роботи, “тришарові” лавові світи, які вчетверо масивніші за Землю, можуть утримувати у 130 разів більший об’єм води, ніж у всіх земних океанах, а також зберігати приблизно у 1000 разів більше вуглецю, ніж міститься на поверхні нашої планети і в земній корі.
“Величезні розплавлені океани магми можуть впливати на фізичні властивості гарячих суперземель – наприклад, впливати на їхній розмір. Через надзвичайно стисливу магму такі океани можуть призвести до того, що лавові світи, позбавлені атмосфери, будуть більш щільними, ніж кам’янисті планети аналогічного розміру”, – пояснила Болей.
Астроном зазначила, що якщо вчені дізнаються, як склад океанів магми пов’язаний з еволюцією лавових планет, як довго ці розплавлені океани можуть перебувати в такому стані і з яких причин вони можуть охолонути, це дасть ключ до розгадки таємниць формування молодої Землі та інших планет земної групи.
