Новая модель поможет раскрыть тайны «паровых миров» за пределами Солнечной системы

Экзопланеты типа суб-Нептунов, как правило, находятся гораздо ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу, и, как считается, имеют атмосферы из пара над слоями экзотической фазы воды, которая ведёт себя ни как газ, ни как жидкость. Автор: Артём Агишин

Для астробиологов поиск жизни за пределами нашей Солнечной системы можно сравнить с поиском в огромной пустыне — по сути, там, где есть вода. И оказывается, что один из наиболее распространённых типов экзопланет, наблюдаемых в планетных системах за пределами нашей, имеет размер и массу, указывающие на богатое водой недро. Они классифицируются как «суб-Нептуны», потому что их размер и масса находятся между земными и нептунианскими.

Но поскольку эти типы экзопланет, как правило, находятся гораздо ближе к своей звезде-хозяину, чем Земля к Солнцу, суб-Нептуны слишком горячи, чтобы иметь на поверхности жидкую воду и поддерживать жизнь. Вместо этого у них были бы атмосферы из пара над слоями экзотической фазы воды, которая ведёт себя ни как газ, ни как жидкость. С тех пор как существование этих «паровых миров» было впервые предсказано 20 лет назад, интерес к их точному составу и эволюции только рос.

Теперь астробиологи и астрономы из Калифорнийского университета в Санта-Крузе разработали более точный способ моделирования этих паровых миров, чтобы лучше понять их состав и, в конечном счёте, то, как они вообще сформировались. «Когда мы поймём, как формируются наиболее часто наблюдаемые планеты во Вселенной, мы сможем переключить внимание на менее распространённые экзопланеты, которые на самом деле могут быть обитаемыми», — сказал Артём Агишин, постдокторант UC Santa Cruz, который руководил разработкой новой модели.

Работа объясняется в статье, опубликованной 24 июля в The Astrophysical Journal, и соавторами являются профессор Натали Баталья, руководитель астробиологической инициативы UC Santa Cruz, и профессор Джонатан Фортни, заведующий кафедрой астрономии и астрофизики университета.

Больше, чем ледяные луны

Впервые в истории космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) подтвердил наличие пара на нескольких суб-Нептунах. Астрономы ожидают, что JWST наблюдет ещё десятки таких планет, поэтому подобные модели критически важны для связи того, что мы видим с поверхности экзопланеты, с тем, что находится внутри них.

Исторически модели, используемые для характеристики суб-Нептунов, разрабатывались для изучения ледяных лун в нашей Солнечной системе, таких как Европа Юпитера и Энцелад Сатурна. Агишин говорит, что сложные модели могут помочь интерпретировать то, что космические телескопы, подобные JWST, раскрывают о суб-Нептунах.

Ледяные луны — это небольшие, сконденсированные тела со слоистой структурой: ледяная кора над океанами жидкой воды. Суб-Нептуны сильно отличаются. Они намного массивнее — в 10–100 раз — и, опять же, они обращаются гораздо ближе к своим звёздам. Поэтому у них нет ледяной коры и жидких океанов, как у Европы или Энцелада. Вместо этого у них формируются толстые паровые атмосферы и слои «сверхкритической воды».

Эта экзотическая, сверхкритическая фаза воды была воссоздана и изучена в лабораториях на Земле, демонстрируя поведение, которое гораздо сложнее, чем простая жидкая вода или лёд, — что затрудняет её точное моделирование. Некоторые модели даже предполагают, что в условиях экстремального давления и температуры внутри суб-Нептунов вода может даже превращаться в «сверхионный лёд» — фазу, в которой молекулы воды реорганизуются так, что ионы водорода свободно движутся через решётку кислорода.

Эта фаза была получена в лаборатории и, как считается, существует в глубоких недрах Урана, Нептуна и, возможно, также суб-Нептунов. Таким образом, для моделирования суб-Нептунов исследователям необходимо понимать, как ведёт себя вода в виде чистого пара, как сверхкритическая жидкость и в экстремальных состояниях, таких как сверхионный лёд. Модель этой команды учитывает экспериментальные данные о физике воды в экстремальных условиях и продвигает вперёд необходимое теоретическое моделирование.

«Недра планет — это естественные "лаборатории" для изучения условий, которые трудно воспроизвести в университетской лаборатории на Земле. То, что мы узнаем, может иметь непредвиденные применения, которые мы даже не рассматривали. Водные миры в этом смысле особенно экзотичны», — пояснила Баталья. «В будущем мы можем обнаружить, что подмножество этих водных миров представляет новые ниши для жизни в галактике».

Моделируя распределение воды на этих распространённых экзопланетах, учёные могут проследить, как вода — одна из самых распространённых молекул во Вселенной — перемещается во время формирования планетных систем. Действительно, Агишин сказал, что вода обладает рядом увлекательных свойств:

• Она является одновременно химической кислотой и основанием, участвуя в химическом балансе
• Она хорошо растворяет соли, сахара и аминокислоты
• Она создаёт водородные связи — что придаёт воде более высокую вязкость, более высокую температуру кипения, большую способность накапливать тепло и многое другое.

«Жизнь можно понимать как сложность, — сказал Агишин, — и вода обладает широким спектром свойств, которые обеспечивают эту сложность».

Взгляд в прошлое и будущее

Он также подчеркнул, что их моделирование сосредоточено не на статических снимках суб-Нептунов, а учитывает их эволюцию в течение миллионов и миллиардов лет. Поскольку свойства планет значительно меняются со временем, моделирование этой эволюции необходимо для точных прогнозов, сказал он.

Моделирование вскоре будет проверено продолжающимися наблюдениями с JWST, а также будущими миссиями, такими как предстоящий запуск Европейским космическим агентством телескопа PLAnetary Transit and Oscillation of stars (PLATO), миссия которого предназначена для поиска землеподобных планет в обитаемой зоне их звезды-хозяина.

«PLATO сможет сказать нам, насколько точны наши модели и в каком направлении нам нужно их совершенствовать, — сказал Агишин. — Так что на самом деле наши модели сейчас делают эти предсказания для телескопов, одновременно помогая формировать следующие шаги в поиске жизни за пределами Земли».

Больше информации: Artyom Aguichine et al, Evolution of Steam Worlds: Energetic Aspects, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/add935

Источник: University of California - Santa Cruz