برخی از سیارات صخره ای می توانند مقادیر زیادی آب در هسته های مذاب خود داشته باشند

‘اگر ما در جو یک سیاره آب پیدا کنیم، احتمالاً مقدار زیادی در داخل آن وجود دارد.’

به اندازه ۹۵ ٪ از آب سیارات می تواند برای همیشه در اعماق هسته آهن خود به دام بیفتد و آنچه را که فکر می کردیم در مورد دنیای آب می دانیم تغییر می دهد و به طور بالقوه آنها را حتی قابل سکونت تر از آنچه متوجه شدیم ، ایجاد می کند.

کارولین دورن ، که استاد سیارات فراخورشیدی در Eth Zurich در سوئیس است ، در یک بیانیه ای گفت: سیارات بسیار بیشتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد پرآب هستند.

هنگامی که سیارات با جمع کردن آوار و برخوردهای ماندگار با سایر پروتوپلانت ها متولد می شوند ، آنقدر داغ می شوند که کل سطح آنها در اقیانوس سنگ مذاب پوشیده شده است. این ماگما سرانجام خنک می شود تا یک گوشته غنی از سیلیکات و پوسته جامد را تشکیل دهد که یک هسته عمیق از آهن مذاب را که به مرور زمان مونتاژ می شود ، در حالی که مواد سنگین تر به مرکز سیاره می رسند ، تشکیل می دهد.

از جمله موادی که سیارات از آنها ساخته شده اند، آب است و در روزهای اولیه سیاره، آب در اقیانوس ماگما وجود دارد و حل شده است. تحقیقات قبلی نشان داده است که سیارات جوان با اندازه و جرم مشابه زمین – و بنابراین با فشارهای داخلی و دمای نسبتاً متوسط ​​- می توانند آب محلول در ماگما را به سمت هسته خود بکشند. در واقع، یک مطالعه نشان داد که زمین در داخل خود حداقل ده ها برابر بیشتر از سطح آب به شکل اقیانوس های آشنای ما دارد.

دورن می‌گوید: بخش زیادی از آهن در ابتدا در سوپ ماگمای داغ به شکل قطرات وجود دارد. آب موجود در ماگما می تواند با این قطرات آهن ترکیب شود که به سمت هسته فرو می روند. ‘قطرات آهن مانند یک قایق رفتار می کنند که توسط آب به پایین منتقل می شود.’

این برای سیاراتی با قامت زمین خوب است، اما بسیاری از سیارات فراخورشیدی سنگی که توسط ستاره شناسان کشف شده اند بسیار بزرگتر از زمین هستند. این به اصطلاح ابر زمین‌ها می‌توانند جرمی تا ۱۰ برابر سیاره ما داشته باشند، اما مشخص نیست که آیا چنین جهان‌هایی، با شرایط داخلی شدیدترشان، می‌توانند مانند روی زمین، آب را از اقیانوس ماگما به پایین بکشند یا خیر.

با استفاده از مدل‌سازی رایانه‌ای برای درک چگونگی تعامل آب با سطح ماگمای مذاب یک سیاره سنگی جوان و داغ، دورن، همراه با محققان هایانگ لو و جی دنگ از دانشگاه پرینستون، اکنون به این سوال پاسخ داده‌اند و دریافته‌اند که حتی در ابر زمین‌ها، بسیاری از آب یک سیاره می تواند به درون آن ختم شود.

دورن می‌گوید: «هرچه سیاره بزرگ‌تر و جرم آن بیشتر باشد، آب بیشتر با قطرات آهن همراه می‌شود و در هسته یکپارچه می‌شود.» ‘در شرایط خاصی، آهن می تواند تا ۷۰ برابر بیشتر از سیلیکات ها آب جذب کند. با این حال، به دلیل فشار بسیار زیاد در هسته، آب دیگر شکل مولکول های H20 را به خود نمی گیرد، بلکه در هیدروژن و اکسیژن وجود دارد.’

این آب آنقدر عمیق است که برای همیشه در هسته محبوس می شود و هیچ راهی برای رسیدن به آن وجود ندارد، بنابراین هیچ فایده ای برای زندگی روی سطح یا نزدیک سطح سیاره ندارد. با این حال، می تواند به روش های دیگری به سکونت کمک کند.

با اندازه‌گیری جرم و شعاع سیاره‌های فراخورشیدی – به ترتیب با استفاده از اندازه‌گیری‌ها و گذرهای داپلر سرعت شعاعی – می‌توان چگالی این سیاره‌ها را محاسبه کرد (با تقسیم جرم سیاره بر حجم آن، که از شعاع آن محاسبه می‌شود). برخی از سیارات فراخورشیدی چگالی دارند که حاکی از آن است که بخش قابل توجهی، شاید تا یک چهارم جرم آنها، از آب ساخته شده است.

فرض بر این بود که این آب به شکل اقیانوسی به عمق ده‌ها کیلومتر روی سطح وجود داشته باشد، اما اگر این تحقیق جدید درست باشد، در واقع بیشتر آب در داخل سیاره خواهد بود و جهان‌های آبی با اعماق اقیانوس های جهانی ممکن است نادر باشد. اگرچه آب برای حیات ضروری است، سیاره ای که فقط آب روی سطح داشته باشد (و بدون خشکی) ممکن است قابل سکونت نباشد. به عنوان مثال، مواد مغذی برای تغذیه حیات از خشکی به دریا می‌روند، و همین فرآیند رواناب بخشی حیاتی از چرخه کربن است که آب و هوای سیاره‌ای را در بازه‌های زمانی طولانی حفظ می‌کند.

دورن معتقد است، جهان‌های فرضی «Hycean» -که نام آن‌ها برگرفته از مجموعه‌ای از هیدروژن و اقیانوس است – مستحق بررسی بیشتر برای آزمایش این نظریه هستند که آب را به داخل یک سیاره می‌آورند. سیارات Hycean جوی غنی از هیدروژن دارند، اما تصور می‌شد که می‌توانند اقیانوس‌های عمیق را در دمای قابل سکونت میزبانی کنند.

هنگامی که گوشته یک سیاره در حال خنک شدن است و قبل از تشکیل اقیانوس ها، مقداری از آب حل شده در سنگ آن می تواند گاز زدایی کرده و به سطح برود و در اتمسفر آزاد شود.

دورن می‌گوید: بنابراین، اگر در جو یک سیاره آب پیدا کنیم، احتمالاً مقدار زیادی آب در درون آن وجود دارد.

به طور خاص، سیاره فراخورشیدی TOI-270d که به دور یک ستاره کوتوله قرمز در فاصله ۷۳ سال نوری از زمین می چرخد ​​و جرم آن ۴.۷۸ برابر بیشتر از سیاره ماست، مورد توجه دورن است که بخشی از تیمی بود که جو آن را مطالعه کرده است. با تلسکوپ فضایی جیمز وب متان، دی اکسید کربن و بخار آب را پیدا کرد.

دورن گفت: «شواهدی در مورد وجود واقعی چنین فعل و انفعالات [آب] بین اقیانوس ماگما در داخل آن و جو جمع آوری شده است.

توانایی آب برای نفوذ به درون یک سیاره به جای استخر در اعماق زیاد در سطح آن به این معنی است که پتانسیل بیشتری برای سیارات قابل سکونت بیشتر با اقیانوس های کم عمق تر در کهکشان وجود دارد.

این تحقیق امروز (۳۰ مرداد) در مجله Nature Astronomy منتشر شد.