Исследование, опубликованное в журнале Nature 29 октября, представляет механизм, согласно которому экзопланеты могут самостоятельно генерировать воду. Этот процесс происходит на планетах с богатой водородом атмосферой, вращающихся близко к своим звездам. Вода образуется в результате химической реакции между водородной атмосферой и кислородом, содержащимся в скалистых недрах планеты, что бросает вызов традиционной теории о формировании водных миров.
Ключевая идея заключается в том, что планеты могут производить воду внутренне, а не получать её из внешних источников, таких как кометы. Процесс запускается, когда плотная водородная атмосфера взаимодействует со скалистым интерьером под воздействием огромного давления и высоких температур. Эта реакция, предположительно, происходит на границе между каменистой мантией планеты и её газовой оболочкой.
В ходе реакции атомы водорода из атмосферы отщепляют атомы кислорода от минералов в породе. Освобожденный кислород затем соединяется с водородом, образуя воду (H₂O). Для проверки этой гипотезы была проведена серия лабораторных экспериментов, в которых использовался оливин — минерал, широко распространенный в недрах планет.
Планетолог Харрисон Хорн из Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии и геофизик Дэн Шим из Университета штата Аризона в Темпе воссоздали экстремальные условия. С помощью алмазной наковальни они сжимали образцы оливина в присутствии водорода, облучая их мощными лазерами. Изначально использование непрерывного лазерного луча приводило к разрушению алмазной наковальни, так как нагретый водород проникал в её углеродную решетку.
Решением проблемы стало использование импульсных лазеров. Они нагревали образец лишь на доли секунды, что позволило успешно провести эксперимент, минимизировав проникновение водорода в алмаз. Результаты оказались ошеломляющими. Как заявил Харрисон Хорн: «Не осталось никакой породы. У меня были только металл и вода».
В ходе экспериментов примерно 18% первоначальной массы оливина было преобразовано в воду. Такой объем производства воды описывается как «в тысячи раз больше, чем ожидалось бы для Земли» при схожих атмосферных условиях.
Это открытие решает загадку существования сотен обнаруженных «богатых водой» экзопланет, размер которых находится между Землей и Нептуном, и которые расположены очень близко к своим звездам. Ранее считалось, что такие планеты должны были сформироваться за «снежной линией» (где вода может замерзать), а затем мигрировать ближе к звезде. Новое исследование предлагает механизм их локального формирования.
По оценкам, этот процесс может приводить к образованию планет, в которых вода составляет от 5% до 28% от общей массы. В результате могут появляться «массивные миры-океаны», в два-пять раз превышающие размер Земли и покрытые глубоким глобальным океаном. Другой тип — «гикеанские миры», обладающие океаном жидкой воды под плотной водородной атмосферой. Эти типы планет представляют собой не отдельные категории, а скорее спектр возможных состояний.
Новые данные вносят вклад в дебаты о потенциальной обитаемости гикеанских миров. Они опровергают недавние теории о том, что вода на таких планетах может быть заперта в мантии, и указывают на более высокую вероятность существования поверхностных океанов. Астрофизик Ремо Берн из Обсерватории Лазурного берега в Ницце, не участвовавший в исследовании, отметил, что открытие «увеличивает вероятность обилия воды» и является «хорошей новостью для жизни на этих планетах».
Хотя условия для такой реакции на современной Земле отсутствуют, они могли существовать на ранних этапах её формирования, когда планета обладала плотной, богатой водородом атмосферой. Это открытие подкрепляет гипотезу о двух резервуарах воды на Земле.
Согласно этой гипотезе, вода на нашей планете имеет два разных источника. Первый — это «первобытный резервуар», то есть вода, созданная внутренне в результате описанной химической реакции глубоко в недрах во время формирования планеты. Второй — «поздний резервуар», вода, доставленная на поверхность кометами и астероидами из внешней части Солнечной системы.
Косвенным подтверждением этой теории служат крошечные пузырьки воды, заключенные в древних алмазах, добытых из глубоких слоев Земли. Эти образцы воды имеют отличную химическую сигнатуру по сравнению с поверхностной водой, что указывает на существование отдельного, глубинного источника.
Изображение носит иллюстративный характер
Ключевая идея заключается в том, что планеты могут производить воду внутренне, а не получать её из внешних источников, таких как кометы. Процесс запускается, когда плотная водородная атмосфера взаимодействует со скалистым интерьером под воздействием огромного давления и высоких температур. Эта реакция, предположительно, происходит на границе между каменистой мантией планеты и её газовой оболочкой.
В ходе реакции атомы водорода из атмосферы отщепляют атомы кислорода от минералов в породе. Освобожденный кислород затем соединяется с водородом, образуя воду (H₂O). Для проверки этой гипотезы была проведена серия лабораторных экспериментов, в которых использовался оливин — минерал, широко распространенный в недрах планет.
Планетолог Харрисон Хорн из Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии и геофизик Дэн Шим из Университета штата Аризона в Темпе воссоздали экстремальные условия. С помощью алмазной наковальни они сжимали образцы оливина в присутствии водорода, облучая их мощными лазерами. Изначально использование непрерывного лазерного луча приводило к разрушению алмазной наковальни, так как нагретый водород проникал в её углеродную решетку.
Решением проблемы стало использование импульсных лазеров. Они нагревали образец лишь на доли секунды, что позволило успешно провести эксперимент, минимизировав проникновение водорода в алмаз. Результаты оказались ошеломляющими. Как заявил Харрисон Хорн: «Не осталось никакой породы. У меня были только металл и вода».
В ходе экспериментов примерно 18% первоначальной массы оливина было преобразовано в воду. Такой объем производства воды описывается как «в тысячи раз больше, чем ожидалось бы для Земли» при схожих атмосферных условиях.
Это открытие решает загадку существования сотен обнаруженных «богатых водой» экзопланет, размер которых находится между Землей и Нептуном, и которые расположены очень близко к своим звездам. Ранее считалось, что такие планеты должны были сформироваться за «снежной линией» (где вода может замерзать), а затем мигрировать ближе к звезде. Новое исследование предлагает механизм их локального формирования.
По оценкам, этот процесс может приводить к образованию планет, в которых вода составляет от 5% до 28% от общей массы. В результате могут появляться «массивные миры-океаны», в два-пять раз превышающие размер Земли и покрытые глубоким глобальным океаном. Другой тип — «гикеанские миры», обладающие океаном жидкой воды под плотной водородной атмосферой. Эти типы планет представляют собой не отдельные категории, а скорее спектр возможных состояний.
Новые данные вносят вклад в дебаты о потенциальной обитаемости гикеанских миров. Они опровергают недавние теории о том, что вода на таких планетах может быть заперта в мантии, и указывают на более высокую вероятность существования поверхностных океанов. Астрофизик Ремо Берн из Обсерватории Лазурного берега в Ницце, не участвовавший в исследовании, отметил, что открытие «увеличивает вероятность обилия воды» и является «хорошей новостью для жизни на этих планетах».
Хотя условия для такой реакции на современной Земле отсутствуют, они могли существовать на ранних этапах её формирования, когда планета обладала плотной, богатой водородом атмосферой. Это открытие подкрепляет гипотезу о двух резервуарах воды на Земле.
Согласно этой гипотезе, вода на нашей планете имеет два разных источника. Первый — это «первобытный резервуар», то есть вода, созданная внутренне в результате описанной химической реакции глубоко в недрах во время формирования планеты. Второй — «поздний резервуар», вода, доставленная на поверхность кометами и астероидами из внешней части Солнечной системы.
Косвенным подтверждением этой теории служат крошечные пузырьки воды, заключенные в древних алмазах, добытых из глубоких слоев Земли. Эти образцы воды имеют отличную химическую сигнатуру по сравнению с поверхностной водой, что указывает на существование отдельного, глубинного источника.
