Исследователи из Кембриджского университета в апреле 2025 года сообщили, что экзопланета K2-18b, обращающаяся вокруг карликовой звезды на расстоянии 124 световых лет от Земли, может быть водным миром с глубоким глобальным океаном, изобилующим жизнью. Однако новое исследование показывает, что так называемые субнептуны, к которым относится K2-18b, вряд ли будут мирами, где преобладает вода, и что условия на них далеки от благоприятных для жизни.
«Воды на планетах гораздо меньше, чем считалось ранее», — отмечает Кэролайн Дорн, профессор экзопланет в ETH Zurich.
Работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters.
Исследование проводилось под руководством ETH Zurich в сотрудничестве с исследователями из Института астрономии им. Макса Планка в Гейдельберге и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
K2-18b больше Земли, но меньше Нептуна, что относит её к классу планет, которых нет в нашей Солнечной системе. Однако наблюдения показывают, что они распространены в космосе. Некоторые из этих субнептунов, вероятно, образовались далеко от своей центральной звезды, за так называемой снеговой линией, где вода замерзает в лёд, а затем мигрирует внутрь.
До сих пор предполагалось, что некоторые из этих планет смогли накопить особенно большое количество воды во время своего формирования и теперь имеют глубокие глобальные океаны под богатой водородом атмосферой. Эксперты называют такие планеты Hycean-планетами: сочетание «водорода» и «океана».
«Наши расчёты показывают, что этот сценарий невозможен», — говорит Дорн. Это связано с тем, что фундаментальной уязвимостью предыдущих исследований было игнорирование химической связи между атмосферой и недрами планеты. «Теперь мы учли взаимодействие между недрами планеты и её атмосферой», — объясняет Аарон Верлен, исследователь в команде Дорн и ведущий автор исследования.
Исследователи предполагают, что на раннем этапе своего формирования субнептуны прошли фазу, в которой они были покрыты глубоким океаном горячей магмы. Оболочка из водорода обеспечила сохранение этой фазы в течение миллионов лет.
«В нашем исследовании мы изучили, как химические взаимодействия между океанами магмы и атмосферами влияют на содержание воды в молодых экзопланетах класса субнептун», — говорит Верлен.
Для этого исследователи использовали существующую модель, описывающую эволюцию планет в течение определённого периода времени. Они объединили её с новой моделью, которая рассчитывает химические процессы, происходящие между газом в атмосфере, металлами и силикатами в магме.
Исследователи рассчитали химическое равновесие для 26 различных компонентов в общей сложности для 248 модельных планет. Компьютерное моделирование показало, что химические процессы разрушают большинство молекул воды H₂O. Водород (H) и кислород (O) присоединяются к металлическим соединениям, и они в основном исчезают в ядре планеты.
Несмотря на то что точность таких расчётов имеет некоторые ограничения, исследователи убеждены в результатах. «Мы фокусируемся на основных тенденциях и ясно видим в симуляциях, что на планетах гораздо меньше воды, чем они первоначально накопили», — объясняет Верлен. «Вода, которая фактически остаётся на поверхности в виде H₂O, составляет не более нескольких процентов».
В более ранней публикации группа Дорн уже смогла показать, как большая часть воды планеты скрыта в её недрах. «В текущем исследовании мы проанализировали, сколько воды в общей сложности содержится на этих субнептунах», — объясняет исследователь. «Согласно расчётам, не существует далёких миров с массивными слоями воды, где вода составляет около 50% массы планеты, как считалось ранее. Поэтому миры Hycean с содержанием воды 10–90% весьма маловероятны».
Это усложняет поиск внеземной жизни, чем ожидалось. Условия, благоприятные для жизни, с достаточным количеством жидкой воды на поверхности, вероятно, существуют только на меньших планетах, которые, вероятно, будут наблюдаться только с помощью обсерваторий, ещё более мощных, чем космический телескоп Джеймса Уэбба.
Дорн считает особенно интересной роль Земли в свете новых расчётов, которые показывают, что большинство далёких планет имеют такое же содержание воды, как и наша планета. «Земля может быть не такой необычной, как мы думаем. По крайней мере, в нашем исследовании она кажется типичной планетой», — говорит она.
Исследователи также были удивлены кажущимся парадоксальным различием: планеты с наиболее богатыми водой атмосферами — это не те, которые накопили больше всего льда за снеговой линией, а планеты, сформировавшиеся внутри снеговой линии. На этих планетах вода образовалась не из кристаллов льда, а была получена химическим путём, когда водород в атмосфере планеты вступил в реакцию с кислородом из силикатов в океане магмы, образовав молекулы H₂O.
«Эти выводы ставят под сомнение классическую связь между льдистым формированием и богатыми водой атмосферами. Вместо этого они подчёркивают доминирующую роль равновесия между океаном магмы и атмосферой в формировании состава планет», — заключает Верлен.
Это будет иметь далеко идущие последствия для теорий формирования планет и интерпретации атмосфер экзопланет в эпоху телескопа Джеймса Уэбба.
Предоставлено: ETH Zurich.