Для астробиологов поиск жизни за пределами нашей Солнечной системы сродни поиску места обитания в огромной пустыне — по сути, там, где есть вода. Оказывается, что один из наиболее распространённых типов экзопланет, наблюдаемых в планетарных системах, имеет размер и массу, которые указывают на богатое водой внутреннее строение. Их называют «субнептунами», поскольку их размер и масса находятся между Землёй и Нептуном.
Однако эти экзопланеты расположены гораздо ближе к своей звезде-хозяину, чем Земля к Солнцу, поэтому субнептуны слишком горячи, чтобы иметь жидкую воду на поверхности и поддерживать жизнь. Вместо этого у них должны быть атмосферы из пара, над слоями экзотической фазы воды, которая ведёт себя не как газ и не как жидкость.
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 итоге, то, как они образовались.
«Когда мы поймём, как формируются наиболее часто наблюдаемые планеты во Вселенной, мы сможем сфокусироваться на менее распространённых экзопланетах, которые могут быть обитаемыми», — сказал Артём Агичин, постдокторант Калифорнийского университета в Санта-Крузе, который руководил разработкой новой модели.
Работа описана в статье, опубликованной 24 июля в The Astrophysical Journal. Соавторами статьи выступили профессор Натали Батальха, руководитель инициативы астробиологии Калифорнийского университета в Санта-Крузе, и профессор Джонатан Фортни, заведующий кафедрой астрономии и астрофизики университета.
Впервые в истории космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) подтвердил наличие пара на нескольких субнептунах. Астрономы ожидают, что JWST обнаружит ещё десятки таких планет, поэтому такие модели критически важны для понимания того, что мы видим на поверхности экзопланеты, и того, что находится внутри них.
Модели, которые исторически использовались для характеристики субнептунов, были разработаны для изучения ледяных спутников в нашей Солнечной системе, таких как спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад. Агичин говорит, что сложные модели могут помочь интерпретировать то, что космические телескопы, подобные JWST, сообщают о субнептунах.
Ледяные спутники — это небольшие, уплотнённые тела со слоистыми структурами: ледяные корки над океанами с жидкой водой. Субнептуны сильно отличаются. Они намного массивнее — в 10–100 раз больше — и, опять же, расположены гораздо ближе к своим звёздам. Поэтому у них нет ледяных корок 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 у простой жидкой воды или льда, что затрудняет точное моделирование. Некоторые модели даже предполагают, что при экстремальных давлении и температуре внутри субнептунов вода может превратиться в «суперионный лёд» — фазу, в которой молекулы воды реорганизуются так, что ионы водорода свободно перемещаются по решётке кислорода.
Эта фаза была получена в лаборатории и, как считается, существует в глубоких недрах Урана, Нептуна и, возможно, субнептунов. Поэтому для моделирования субнептунов исследователям необходимо понять, как вода ведёт себя в чистом виде, как сверхкритическая жидкость и в экстремальных состояниях, таких как суперионный лёд. Модель этой группы учитывает экспериментальные данные о физике воды в экстремальных условиях и продвигает теоретическое моделирование, которое для этого требуется.
«Недра планет — это естественные «лаборатории» для изучения условий, которые трудно воспроизвести в университетской лаборатории на Земле. То, что мы узнаём, может иметь непредвиденные приложения, о которых мы даже не думали. Миры воды особенно экзотичны в этом смысле», — объяснила Батальха. «В будущем мы можем обнаружить, что подмножество этих водных миров представляет собой новые ниши для жизни в галактике».
Моделируя распределение воды в этих распространённых экзопланетах, учёные могут проследить, как вода — одна из наиболее распространённых молекул во Вселенной — движется во время формирования планетарных систем.
«Жизнь можно понять как сложность, — сказал Агичин, — а вода обладает широким спектром свойств, которые обеспечивают эту сложность».
Он также подчеркнул, что их моделирование сосредоточено не на статических снимках субнептунов, а учитывает их эволюцию на протяжении миллионов и миллиардов лет. Поскольку свойства планет со временем значительно меняются, моделирование этой эволюции необходимо для точных прогнозов, сказал он.
Моделирование вскоре будет проверено путём продолжения наблюдений с помощью JWST, а также с помощью будущих миссий, таких как предстоящий запуск Европейским космическим агентством телескопа PLAnetary Transit and Oscillation (PLATO) для поиска планет земного типа в обитаемой зоне их звезды-хозяина.
«PLATO сможет сказать нам, насколько точны наши модели и в каком направлении нам нужно их усовершенствовать», — сказал Агичин. «По сути, наши модели в настоящее время делают такие прогнозы для телескопов, одновременно определяя следующие шаги в поиске жизни за пределами Земли».