W kwietniu tego roku szeroko pisano na temat oddalonej o 124 lata świetlne planety K2-18b. Naukowcy z University of Cambridge donieśli wtedy, że może być ona pokryta głębokim oceanem, być może nawet wypełnionym życiem. K2-18b jest większa od Ziemi, ale mniejsza od Neptuna, należy więc do klasy planet, które nie występują w Układzie Słonecznym.

Obserwacje wskazują jednak, że planety takie są powszechne w kosmosie. Te tzw. sub-Neptuny powstają prawdopodobnie daleko od macierzystych gwiazd, poza tzw. linią lodu, a później migrują bliżej centrów swoich układów.

Do tej pory zakładano, że niektóre z tych planet mogły zgromadzić wyjątkowo duże ilości wody podczas swojego powstawania i obecnie skrywają głębokie, globalne oceany ukryte pod atmosferą bogatą w wodór. Eksperci określają je mianem planet hyceańskich – od połączenia słów „hydrogen” (wodór) i „ocean”.

Badacze z międzynarodowego zespołu, w tym z Politechniki Federalnej w Zurychu twierdzą jednak, że to mało prawdopodobne.

„Nasze obliczenia pokazują, że taki scenariusz nie jest możliwy” – mówi prof. Caroline Dorn, autorka badania opisanego na łamach „The Astrophysical Journal Letters”.

Zasadniczą słabością wcześniejszych badań było pomijanie sprzężenia chemicznego między atmosferą a wnętrzem planety. Dopiero teraz uwzględniono te oddziaływania.

Najprawdopodobniej, we wczesnym etapie formowania, sub-Neptuny przeszły fazę, w której były pokryte głębokim, gorącym oceanem magmy. Otoczka z gazowego wodoru sprawiła, że ta faza utrzymywała się przez miliony lat.

Naukowcy sprawdzili, jak chemiczne interakcje między oceanem magmy a atmosferą wpływają na zawartość wody w młodych egzoplanetach typu sub-Neptun. W tym celu wykorzystali istniejący model opisujący ewolucję planet w określonym przedziale czasu. Połączyli go z nowym modelem, który oblicza procesy chemiczne zachodzące między gazem w atmosferze a metalami i krzemianami w magmie.

Obliczyli stan równowagi chemicznej dla 26 różnych składników, dla 248 modelowych planet. Symulacje komputerowe wykazały, że procesy chemiczne niszczą większość cząsteczek wody. Wodór i tlen wiążą się ze związkami metali, a te w dużej mierze zanikają we wnętrzu planety, kierując się ku jej jądru.

Choć dokładność takich obliczeń ma pewne ograniczenia, naukowcy są przekonani o wiarygodności wyników.

„Skupiamy się na głównych trendach i w symulacjach wyraźnie widać, że planety mają znacznie mniej wody, niż pierwotnie zgromadziły” – wyjaśnia Aaron Werlen, główny autor publikacji.

„Woda, która faktycznie pozostaje na powierzchni w postaci H2O, ogranicza się co najwyżej do kilku procent” – dodaje.

We wcześniejszych badaniach naukowcy zdołali już pokazać, że większość wody ukryta jest we wnętrzu planet.

„W obecnym badaniu przeanalizowaliśmy, ile wody znajduje się łącznie na sub-Neptunach. Zgodnie z obliczeniami nie istnieją odległe światy z masywnymi warstwami wody, w których stanowiłaby ona około 50 procent masy planety, jak wcześniej sądzono. Światy hyceańskie zawierające od 10 do 90 procent wody są więc bardzo mało prawdopodobne” – mówi Aaron Werlen.

To oznacza, że poszukiwanie życia pozaziemskiego okazuje się trudniejsze, niż oczekiwano. Warunki sprzyjające życiu, z wystarczającą ilością ciekłej wody na powierzchni, prawdopodobnie istnieją jedynie na mniejszych planetach, które będzie można obserwować dopiero za pomocą teleskopów jeszcze lepszych niż Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.

Nowe obliczenia pokazują jednocześnie, że większość odległych planet ma podobną zawartość wody do naszej planety.

„Ziemia może nie być tak niezwykła, jak nam się wydaje. Przynajmniej w naszym badaniu jawi się jako typowa planeta” – mówi prof. Dorn.

Naukowców zaskoczyła także pozornie paradoksalna różnica - planety z najbardziej zasobnymi w wodę atmosferami to nie te, które zgromadziły najwięcej lodu poza linią śniegu, lecz raczej te, które uformowały się wewnątrz tej granicy. Na tych planetach woda nie pochodziła z kryształów lodu, lecz powstawała chemicznie – gdy wodór z atmosfery planety reagował z tlenem z krzemianów w oceanie magmy, tworząc cząsteczki wody.

„Odkrycia te podważają klasyczne powiązania między etapem formowania planety bogatym w lód i atmosferami bogatymi w wodę. Zamiast tego podkreślają dominującą rolę równowagi między oceanem magmy a atmosferą w kształtowaniu składu planet” – podsumowuje Werlen.

Wnioski te mają więc daleko idące konsekwencje dla teorii powstawania planet oraz interpretacji atmosfer egzoplanet w erze Teleskopu Jamesa Webba – podkreślają badacze.

Marek Matacz (PAP)

mat/ bar/