Naukowcy odkryli niedawno, że większość wody na planecie zazwyczaj nie znajduje się na jej powierzchni, ale jest ukryta głęboko w jej wnętrzu. Wpływa to na potencjalną możliwość zamieszkania odległych światów, jak pokazują obliczenia modelowe naukowców z ETH Zurich i Uniwersytet Princeton.
- Naukowcy wykorzystali symulacje komputerowe do obliczenia nowego modelu rozmieszczenia wody na egzoplanetach – planetach krążących wokół innej gwiazdy spoza Układu Słonecznego.
- Ich odkrycia ujawniają, że większość wody młodych planet nie znajduje się na ich powierzchni, ale głęboko w ich wnętrzach. Co więcej, całkowita potencjalna objętość wody na egzoplanetach była dotychczas dramatycznie niedoszacowana.
- Nowy model jest ważny dla zrozumienia powstawania planet i oceny potencjalnego zamieszkiwania egzoplanet.
Ziemia ma żelazne jądro otoczone płaszczem z krzemianowej skały macierzystej i wodą (oceanami) na jej powierzchni. Do dziś nauka wykorzystywała ten prosty model planety do badania egzoplanet – planet krążących wokół innej gwiazdy spoza Układu Słonecznego. „Dopiero w ostatnich latach zaczęliśmy zdawać sobie sprawę, że planety są bardziej złożone, niż nam się wydawało” – mówi Caroline Dorn, profesor ds. egzoplanet w ETH Zurich.
Większość znanych dziś egzoplanet znajduje się blisko swojej gwiazdy. Oznacza to, że składają się one głównie z gorących światów oceanów stopionej magmy, która nie ostygła jeszcze i nie utworzyła solidnego płaszcza z krzemianowego podłoża skalnego, takiego jak Ziemia. Woda bardzo dobrze rozpuszcza się w oceanach magmy – w przeciwieństwie na przykład do dwutlenku węgla, który szybko odgazowuje i unosi się do atmosfery.
Żelazny rdzeń znajduje się pod stopionym płaszczem krzemianów. Jak zatem rozprowadzana jest woda pomiędzy krzemianami i żelazem? Właśnie to zbadał Dorn we współpracy z Haiyangiem Luo i Jie Dengiem z Uniwersytetu Princeton za pomocą obliczeń modelowych opartych na podstawowych prawach fizyki. Naukowcy prezentują swoje wyniki w czasopiśmie Nature Astronomy.
Zupa Magmowa Z Wodą I Żelazem
Aby wyjaśnić wyniki, Dorn musi zagłębić się w szczegóły: „Rozwój żelaznego rdzenia wymaga czasu. Duża część żelaza zawarta jest początkowo w gorącej zupie magmowej w postaci kropelek.” Woda zawarta w tej zupie łączy się z kropelkami żelaza i opada wraz z nimi do rdzenia. „Kropelki żelaza zachowują się jak winda niesiona przez wodę w dół” – wyjaśnia Dorn.
Do tej pory wiadomo było, że takie zachowanie ma miejsce jedynie w przypadku umiarkowanych ciśnień, jakie również panują na Ziemi. Nie było wiadomo, co dzieje się w przypadku większych planet, w których panują warunki wewnętrzne o wyższym ciśnieniu. „To jeden z kluczowych wyników naszego badania” – mówi Dorn. „Im większa planeta i im większa jest jej masa, tym bardziej woda ma tendencję do przenikania z kropelkami żelaza i łączenia się z jądrem. W pewnych okolicznościach żelazo może wchłonąć do 70 razy więcej wody niż krzemiany. Jednak z powodu ogromnego ciśnienia w rdzeniu woda nie przyjmuje już postaci H2O cząsteczki, ale jest obecny w wodorze i tlenie.
Duże ilości wody znajdują się również wewnątrz Ziemi
Badanie to zapoczątkowano badaniami zawartości wody na Ziemi, które cztery lata temu przyniosły zaskakujący wynik: oceany na powierzchni Ziemi zawierają jedynie niewielką część całkowitej wody naszej planety. W jego wnętrzu może kryć się zawartość ponad 80 ziemskich oceanów. Pokazują to symulacje obliczające zachowanie wody w warunkach takich, jakie panowały, gdy Ziemia była młoda. Eksperymenty i pomiary sejsmologiczne są odpowiednio kompatybilne.
„Większość wody na egzoplanetach znajduje się głęboko we wnętrzu planety, a nie na powierzchni.”
Caroline Dorn, profesor egzoplanet
Nowe odkrycia dotyczące rozmieszczenia wody na planetach mają dramatyczne konsekwencje dla interpretacji danych z obserwacji astronomicznych. Używając teleskopów w kosmosie i na Ziemi, astronomowie mogą w pewnych warunkach zmierzyć wagę i rozmiar egzoplaneta. Wykorzystują te obliczenia do sporządzenia diagramów masa-promień, które pozwalają na wyciągnięcie wniosków na temat składu planety. Jeśli przy tym – jak to miało miejsce dotychczas – pominie się rozpuszczalność i dystrybucję wody, objętość wody może zostać drastycznie zaniżona, nawet dziesięciokrotnie. „Planety są znacznie bardziej obfite w wodę, niż wcześniej zakładano” – mówi Dorn.
Zrozumienie historii ewolucji
Dystrybucja wody jest również ważna, jeśli chcemy zrozumieć, w jaki sposób powstają i rozwijają się planety. Woda, która opadła do rdzenia, pozostaje tam uwięziona na zawsze. Jednakże woda rozpuszczona w oceanie magmy płaszcza może odgazować i wydostać się na powierzchnię podczas chłodzenia płaszcza. „Jeśli więc znajdziemy wodę w atmosferze planety, prawdopodobnie jest jej znacznie więcej w jej wnętrzu” – wyjaśnia Dorn.
Tego właśnie szuka należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który od dwóch lat wysyła dane z kosmosu na Ziemię. Jest w stanie śledzić cząsteczki w atmosferze egzoplanet. „Bezpośrednio można zmierzyć jedynie skład górnych warstw atmosfery egzoplanet” – wyjaśnia naukowiec. „Nasza grupa pragnie stworzyć połączenie atmosfery z głębinami ciał niebieskich.”
Szczególnie interesujące są nowe dane dotyczące egzoplanety TOI-270d. „Zebraliśmy tam dowody na faktyczne istnienie takich interakcji między oceanem magmy w jego wnętrzu a atmosferą” – mówi Dorn, który był zaangażowany w odpowiednią publikację na temat TOI-270d. Na jej liście interesujących obiektów, które chce bliżej zbadać, znajduje się także planeta K2-18b, która trafiła na pierwsze strony gazet ze względu na prawdopodobieństwo istnienia na niej życia.
Ponowne przemyślenie możliwości zamieszkiwania wodnych światów
Woda jest jednym z warunków rozwoju życia. Od dawna spekulowano na temat potencjalnej możliwości zamieszkania na obfitujących w wodę Superziemiach – czyli planetach o masie wielokrotnie większej od Ziemi i których powierzchnia pokryta jest głębokim, globalnym oceanem. Następnie obliczenia wykazały, że zbyt dużo wody może być wrogie życiu. Argumentowano, że w tych wodnych światach warstwa egzotycznego lodu pod wysokim ciśnieniem uniemożliwia wymianę substancji życiowych na styku oceanu z płaszczem planety.
Nowe badanie doprowadziło obecnie do innego wniosku: planety z głębokimi warstwami wody będą prawdopodobnie rzadkim zjawiskiem, ponieważ większość wody na SuperZiemiach nie znajduje się na powierzchni, jak dotychczas zakładano, ale jest uwięziona w jądrze . To prowadzi naukowców do założenia, że nawet planety o stosunkowo dużej zawartości wody mogą potencjalnie stworzyć warunki do zamieszkania podobne do ziemskich. Jak podsumowują Dorn i jej współpracownicy, ich badanie rzuca nowe światło na potencjalne istnienie światów obfitujących w wodę, w których mogłoby istnieć życie.
Odniesienie: „Wnętrze jako dominujący zbiornik wodny w superziemiach i sub-Neptunach” autorstwa Haiyang Luo, Caroline Dorn i Jie Deng, 20 sierpnia 2024 r., Astronomia przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02347-z
Caroline Dorn jest profesorem ds. egzoplanet na Wydziale Fizyki ETH w Zurychu. Jej badania są częścią Narodowe Centrum Kompetencji w Planetach Badawczych (NCCR) i Centrum Pochodzenia i Występowania Życia (COPL) w ETH.
