Znamo da Zemlja ima gvozdeno jezgro okruženo plaštom od silikatnih stena i vode (okeana) na svojoj površini. Nauka je do danas koristila ovaj jednostavan model planete za istraživanje egzoplaneta – planeta koje kruže oko druge zvezde izvan našeg Sunčevog sistema.
„Tek poslednjih godina smo počeli da shvatamo da su planete složenije nego što smo mislili“, kaže Kerolajn Dorn, profesor za egzoplanete na ETH Cirihu.
Većina danas poznatih egzoplaneta nalazi se blizu svoje zvezde. To znači da oni prvenstveno obuhvataju vruće svetove okeana rastopljene magme koji se još nisu ohladili da bi formirali čvrsti omotač od silikatnih stena poput Zemlje. Voda se veoma dobro rastvara u ovim okeanima magme – za razliku od, na primer, ugljen-dioksida – koji brzo izlazi iz gasova i diže se u atmosferu.
Gvozdeno jezgro se nalazi ispod rastopljenog omotača silikata. Dakle, kako se voda raspoređuje između silikata i gvožđa?
To je upravo ono što je Dorn istražio u saradnji sa Haiiang Luom i Jie Dengom sa Univerziteta Princeton uz pomoć proračuna modela zasnovanih na osnovnim zakonima fizike. Istraživači predstavljaju svoje rezultate u časopisu Astronomija prirode.
Da bi objasnio rezultate, Dorn mora da uđe u neke detalje: „Gvozdenom jezgru je potrebno vreme da se razvije. Veliki deo gvožđa se u početku nalazi u vrućoj supi od magme u obliku kapljica.“ Voda izdvojena u ovoj supi se kombinuje sa ovim kapljicama gvožđa i tone sa njima do srži. „Kapljice gvožđa se ponašaju kao dizalo koje voda prenosi naniže“, objašnjava Dorn.
Do sada se znalo da je ovo ponašanje samo slučaj sa umerenim pritiscima koji takođe vladaju na Zemlji. Nije bilo poznato šta se dogodilo u slučaju većih planeta sa unutrašnjim uslovima visokog pritiska.
„Ovo je jedan od ključnih rezultata naše studije“, kaže Dorn. „Što je planeta veća i što je veća njena masa, voda više teži da ide sa kapljicama gvožđa i da se integriše u jezgro. Pod određenim okolnostima, gvožđe može da apsorbuje i do 70 puta više vode od silikata. Međutim, zahvaljujući ogroman pritisak u jezgru, voda više nema oblik molekula H 2 O, već je prisutna u vodoniku i kiseoniku.“
Ova studija je pokrenuta istraživanjem sadržaja vode na Zemlji, što je dalo iznenađujući rezultat pre četiri godine: okeani na površini Zemlje sadrže samo mali deo ukupne vode naše planete. Sadržaj više od 80 Zemljinih okeana mogao bi biti sakriven u njenoj unutrašnjosti. Ovo pokazuju simulacije koje izračunavaju kako se voda ponaša u uslovima koji su vladali kada je Zemlja bila mlada. Eksperimenti i seizmološka merenja su shodno tome kompatibilni.
Nova otkrića u vezi sa distribucijom vode na planetama imaju dramatične posledice za tumačenje podataka astronomskih posmatranja. Koristeći svoje teleskope u svemiru i na Zemlji, astronomi mogu, pod određenim uslovima, da izmere težinu i veličinu egzoplanete. Oni koriste ove proračune da naprave dijagrame mase-radijusa koji omogućavaju da se izvuku zaključci o sastavu planete. Ako se pri tome – kao što je do sada bio slučaj – zanemarimo rastvorljivost i distribuciju vode, zapremina vode može biti dramatično potcenjena i do deset puta.
„Planete su mnogo bogatije vodom nego što se ranije pretpostavljalo“, kaže Dorn.
Distribucija vode je takođe važna ako želimo da razumemo kako se planete formiraju i razvijaju. Voda koja je potonula do srži ostaje tu zauvek zarobljena. Međutim, voda rastvorena u okeanu magme plašta može da izgubi gas i da se podigne na površinu tokom hlađenja plašta.
„Dakle, ako nađemo vodu u atmosferi planete, verovatno je mnogo više u njenoj unutrašnjosti“, objašnjava Dorn.
Ovo pokušava da pronađe svemirski teleskop Džejms Veb, koji dve godine šalje podatke iz svemira na Zemlju. Sposoban je da prati molekule u atmosferi egzoplaneta.
Samo se sastav gornje atmosfere egzoplaneta može direktno meriti“, objašnjava naučnik. „Naša grupa želi da uspostavi vezu od atmosfere do unutrašnjih dubina nebeskih tela.
Posebno su zanimljivi novi podaci o egzoplanete pod nazivom TOI-270d.
„Tamo su prikupljeni dokazi o stvarnom postojanju takvih interakcija između okeana magme u njegovoj unutrašnjosti i atmosfere“, kaže Dorn, koji je bio uključen u odgovarajuću publikaciju o TOI-270d. Na njenoj listi zanimljivih objekata koje želi da pobliže ispita nalazi se i planeta K2-18b, koja je dospela na naslovne strane zbog verovatnoće da na njoj ima života.
Voda je jedan od preduslova za razvoj života. Dugo se spekulisalo o potencijalnoj nastanjivosti super-Zemlja koje obiluju vodom – to jest, planeta sa masom višestruko većom od Zemljine i sa površinom prekrivenom dubokim, globalnim okeanom. Tada su proračuni sugerisali da bi previše vode moglo biti neprijateljsko po život. Argument je bio da bi u ovim vodenim svetovima sloj egzotičnog leda pod visokim pritiskom sprečio razmenu vitalnih supstanci na granici između okeana i plašta planete.
Nova studija sada dolazi do drugačijeg zaključka: Planete sa dubokim slojevima vode će verovatno biti retka pojava, pošto se većina vode na super-Zemlji ne nalazi na površini, kao što se do sada pretpostavljalo, već je zarobljena unutar jezgro. Ovo navodi naučnike da pretpostave da čak i planete sa relativno visokim sadržajem vode mogu imati potencijal da razviju uslove za život nalik Zemlji. Kako Dorn i njene kolege zaključuju, njihova studija tako baca novo svetlo na potencijalno postojanje svetova bogatih vodom koji bi mogli da podrže život.
