Новое исследование с использованием лабораторных экспериментов показало, что вода естественным образом образуется в процессе формирования планеты. Сжимая и нагревая планетарные аналоги материалов между кончиками двух алмазов, учёные из Института Карнеги, Международного института физики плазмы и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе продемонстрировали, что взаимодействие между атмосферой молодой планеты и её примитивным океаном магмы приводит к образованию воды и растворению водорода в магматическом расплаве. Фото: Навид Марви/Carnegie Science.
-------------

Из более чем 6000 известных экзопланет в Млечном Пути наиболее распространены так называемые субнептуны. Они меньше Нептуна и массивнее Земли. Считается, что они состоят из каменистого ядра и имеют толстую водородную атмосферу.

Это делает их хорошими кандидатами для проверки гипотез о том, как каменистые планеты, подобные нашей, приобрели большое количество воды, которая была критически важна для зарождения жизни на Земле и считается фундаментальным компонентом обитаемости планеты.

«Благодаря стремительному росту наших знаний о огромном разнообразии экзопланет мы смогли представить себе новые подробности о самых ранних этапах формирования и эволюции каменистых планет», — объяснил Миоцци.

«Это открыло путь к поиску нового источника воды на планете — загадка, над которой давно бьются учёные, изучающие Землю и другие планеты, — но эксперименты, проводимые с этой целью, отсутствовали».

Эта работа является частью междисциплинарного проекта AEThER (Atmospheric Empirical, Theoretical, and Experimental Research), который был основан и возглавляется Шахаром.

Эта инициатива объединяет специалистов из разных областей, включая астрономию, космохимию, планетарную динамику, петрологию, физику минералов и другие, чтобы ответить на фундаментальные вопросы о характеристиках, которые позволяют каменистым планетам создавать благоприятные условия для зарождения жизни.

Их работа сосредоточена на попытках связать наблюдения за атмосферами планет с эволюцией и динамикой их твёрдых тел.

Предыдущие исследования в области математического моделирования показали, что взаимодействие между атмосферным водородом и железосодержащими океанами магмы во время формирования планет может привести к образованию значительного количества воды. Однако до сих пор не проводились комплексные экспериментальные исследования этого предполагаемого источника воды на планетах.

Миоцци и Шахар возглавили международную группу исследователей из Парижского института физики Земли (IPGP) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, чтобы создать условия, при которых на молодой планете могли бы происходить такие взаимодействия между водородом, представляющим раннюю планетарную атмосферу, и богатым железом расплавом кремнезёма, представляющим формирующуюся магму океан.

Они добились этого, сжимая образцы почти в 600 000 раз относительно атмосферного давления (60 гигапаскалей) и нагревая их до температуры более 4000 градусов по Цельсию (7200 градусов по Фаренгейту).

Их экспериментальная среда имитирует критическую фазу эволюционного процесса каменистой планеты. Такие тела формируются из диска пыли и газа, который окружает молодую звезду в период после её рождения. Этот материал накапливается в телах, которые сталкиваются друг с другом, становятся больше и горячее и в конечном счёте превращаются в огромный океан магмы.

Эти молодые планеты часто окружены плотной оболочкой из молекулярного водорода H2, которая может действовать как «тепловое одеяло», поддерживая магматический океан в течение миллиардов лет, пока он не остынет.

«Наша работа предоставила первые экспериментальные доказательства двух важнейших процессов ранней планетарной эволюции», — отметил Миоцци. «Мы показали, что в расплавленной массе растворяется большое количество водорода и образуется значительное количество воды в результате восстановления оксидов железа молекулярным водородом».

В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что в магматическом океане может накапливаться большое количество водорода в процессе образования воды. Это имеет большое значение для физических и химических свойств недр планеты, а также может повлиять на формирование ядра и состав атмосферы.

«Наличие жидкой воды считается критически важным для обитаемости планеты», — заключает Шахар. «Эта работа показывает, что большое количество воды образуется естественным образом в процессе формирования планет. Это значительный шаг вперёд в наших представлениях о поиске далёких миров, способных поддерживать жизнь».

Институт науки Карнеги