Ученые создали новую модель «паровых миров»
Богатые водой экзопланеты, известные как субнептуны, могут указывать на существование жизни в других частях Вселенной
Поиск жизни за пределами Земли — одно из самых захватывающих научных приключений. Представьте себе бескрайнюю пустыню, где каждый след может указывать на оазис, а каждая крупица влаги — на возможность существования жизни. Для астробиологов Вселенная — это и есть такая пустыня, и ключ к ее тайнам, как и в пустыне, — вода. Однако в космосе вода проявляется не всегда в привычной нам форме. На многих планетах она существует в экзотических состояниях, которые невозможно наблюдать на Земле, — в виде пара, сверхкритических жидкостей и даже странного «суперионного льда». Именно такие миры, богатые водой, но далекие от привычных нам условий, становятся фокусом пристального внимания ученых. Среди них — так называемые «субнептуны», одни из самых распространенных типов экзопланет, обнаруженных за пределами Солнечной системы.
Субнептуны — это планеты, размер и масса которых находятся между Землей и Нептуном. Они гораздо массивнее, чем ледяные луны нашей Солнечной системы, такие как Европа или Энцелад, и при этом расположены значительно ближе к своим звездам. Из-за этого на их поверхности невозможно существование жидкой воды в обычном понимании. Вместо океанов под ледяной коркой, как у спутников газовых гигантов, субнептуны, вероятно, обладают толстыми паровыми атмосферами и глубокими слоями воды в экзотических фазах. Эти миры, получившие название «паровых миров», были впервые предсказаны двадцать лет назад, но только сейчас, благодаря новым технологиям и более точным моделям, ученые начинают понимать их истинную природу.
Группа исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Круз разработала новую, более точную модель для изучения этих загадочных планет. В отличие от предыдущих подходов, которые зачастую заимствовали методы, разработанные для ледяных лун, новая модель учитывает уникальные условия, царящие внутри субнептунов: экстремальные температуры, колоссальные давления и сложное поведение воды в таких средах. Оказалось, что вода в недрах этих планет может существовать в виде сверхкритической жидкости — состояния, при котором граница между жидкостью и газом исчезает, и вещество ведет себя одновременно как то и другое.
Более того, при еще более экстремальных условиях, как предполагают ученые, вода может превращаться в «суперионный лед» — кристаллическую структуру, в которой ионы водорода свободно перемещаются через жесткую кислородную решетку, словно электролит в батарейке. Такая фаза была воссоздана в земных лабораториях и, как считается, может существовать в глубинах таких планет, как Нептун и Уран, а теперь, возможно, и в недрах многих экзопланет.
Разработка новой модели — не просто теоретическое упражнение. Она необходима для интерпретации данных, которые уже поступают с космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST). Этот мощный инструмент впервые подтвердил наличие водяного пара на нескольких экзопланетах меньше размера Нептуна, и в ближайшие годы ожидается обнаружение десятков подобных объектов. Чтобы понять, что означают эти наблюдения, ученым нужны модели, способные связать атмосферные сигналы с внутренним строением планет. Именно здесь и проявляется ценность новой работы: она учитывает экспериментальные данные о поведении воды при экстремальных условиях и позволяет строить более реалистичные представления о том, как устроены эти далекие миры.
Особое внимание в модели уделено эволюции планет во времени. Исследователи подчеркивают, что субнептуны — не статичные объекты. Их атмосферы могут улетучиваться, внутренние слои — перераспределяться, а состав — меняться на протяжении миллионов лет. Моделирование этой динамики позволяет не только понять, как выглядят эти планеты сегодня, но и воссоздать их историю формирования. Это, в свою очередь, помогает ответить на фундаментальный вопрос: как образуются эти планеты? И, что не менее важно, понимание субнептунов может помочь выделить более редкие и потенциально обитаемые миры — те, что находятся в «зоне Златовласки» своих звезд, где может существовать жидкая вода и, возможно, жизнь.
Как отмечает Натали Баталья, одна из ведущих исследователей проекта, недра экзопланет — это природные лаборатории, где происходят процессы, недоступные для земных экспериментов. Изучая их, ученые не только расширяют границы астрономии, но и могут открыть новые физические и химические явления. Более того, некоторые из этих «водных миров» могут оказаться неожиданными нишами для жизни — не такой, как мы ее знаем, но все же жизнью, адаптированной к экстремальным условиям.
Руководитель разработки новой модели Артем Агишин подчеркивает уникальность воды как молекулы: она одновременно может вести себя как кислота и основание, образует водородные связи, растворяет широкий спектр веществ и обладает высокой теплоемкостью. Именно эти свойства делают воду идеальной средой для возникновения и поддержания сложных химических систем — основы жизни. «Жизнь можно понимать как сложность, — говорит он, — и вода обладает широким спектром свойств, которые обеспечивают эту сложность».
Впереди у исследователей — проверка моделей на практике. Наблюдения JWST продолжаются, а в ближайшие годы ожидается запуск нового телескопа Европейского космического агентства — PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars), который будет искать землеподобные планеты в обитаемых зонах. Эти данные позволят оценить точность современных моделей и направить дальнейшие исследования. Уже сейчас моделирование субнептунов дает не просто теоретические предсказания, но и практические ориентиры для поиска жизни за пределами Земли.
Таким образом, изучение «паровых миров» — это не просто изучение далеких планет, а шаг к пониманию того, как формируются планетные системы, как вода влияет на эволюцию миров и где, в конечном счете, может возникнуть жизнь. Каждая новая модель, каждое наблюдение приближает нас к ответу на один из самых фундаментальных вопросов: одиноки ли мы во Вселенной?