Światy lawy, masywne egzoplanety będące domem dla błyszczącego nieba i wzburzonych mórz wulkanicznych zwanych oceanami magmy, wyraźnie różnią się od planet w naszym Układzie Słonecznym.
Do chwili obecnej odkryto, że prawie 50% wszystkich odkrytych dotychczas egzoplanet skalistych jest w stanie utrzymać magmę na swojej powierzchni, prawdopodobnie dlatego, że planety te znajdują się tak blisko swoich gwiazd macierzystych, że okrążają je w czasie krótszym niż 10 dni. Bycie tak blisko powoduje, że planeta jest bombardowana przez trudne warunki pogodowe i powoduje, że temperatury na powierzchni osiągają ekstremalne wartości, czyniąc ją niemal całkowicie niegościnną dla życia, jakie znamy dzisiaj.
Teraz w nowym badaniu naukowcy wykazali, że te rozległe, stopione oceany mają duży wpływ na obserwowane właściwości gorących skalistych superziemi, takie jak ich rozmiar i ścieżka ewolucji.
Ich badania, opublikowane niedawno w The Astrophysical Journal, wykazały, że ze względu na niezwykle ściśliwy charakter lawy oceany magmy mogą powodować, że planety bogate w lawę bez atmosfery będą nieco gęstsze niż planety stałe o podobnej wielkości, a także wpływają na strukturę ich płaszczy, gruba wewnętrzna warstwa otaczająca jądro planety.
Mimo to, ponieważ obiekty te są notorycznie niedostatecznie zbadane, scharakteryzowanie fundamentalnego działania planet lawowych może być trudnym zadaniem, powiedział Kiersten Boley, główny autor badania i absolwent astronomii na Ohio State University.
„Światy lawy to bardzo dziwne i bardzo interesujące obiekty, a ze względu na sposób, w jaki wykrywamy egzoplanety, jesteśmy bardziej skłonni do ich odnajdywania” – powiedział Boley, którego badania koncentrują się na zrozumieniu, jakie podstawowe składniki sprawiają, że egzoplanety są wyjątkowe i w jaki sposób ulepszanie tych elementów lub w przypadku światów lawowych ich temperatury mogą je całkowicie zmienić.
Jednym z najbardziej znanych z tych tajemniczych płonących światów jest 55 Cancri e, egzoplaneta oddalona o około 41 lat świetlnych, którą naukowcy opisują jako siedlisko zarówno błyszczącego nieba, jak i wzburzonych mórz lawy.
Chociaż w naszym Układzie Słonecznym znajdują się obiekty, takie jak księżyc Jowisza Io, które są niezwykle aktywne wulkanicznie, w naszym fragmencie kosmosu nie ma prawdziwych planet lawowych, które naukowcy mogliby zbliżyć się i zbadać. Jednakże badanie, w jaki sposób skład oceanów magmy przyczynia się do ewolucji innych planet, na przykład jak długo pozostają one w stanie stopionym i z jakich powodów ostatecznie ochładzają się, może dostarczyć wskazówek na temat ognistej historii Ziemi, powiedział Boley.
„Kiedy powstają planety, zwłaszcza skaliste planety ziemskie, w miarę ochładzania przechodzą one przez fazę oceanu magmy” – powiedział Boley. „Więc światy lawy mogą dać nam pewien wgląd w to, co mogło się wydarzyć w ewolucji niemal każdej planety ziemskiej”.
Wykorzystując oprogramowanie do modelowania wnętrz egzoplanet Exoplex i dane zebrane z poprzednich badań do skonstruowania modułu zawierającego informacje o kilku typach składu magmy, badacze przeprowadzili symulację kilku scenariuszy ewolucyjnych planety podobnej do Ziemi, której temperatury powierzchni wahają się od 2600 do 3860 stopni Fahrenheita. temperatura topnienia, w której stały płaszcz planety zamieni się w ciecz.
Na podstawie stworzonych przez siebie modeli zespół był w stanie stwierdzić, że płaszcze planet z oceanem magmy mogą przybierać jedną z trzech form: pierwszą, w której cały płaszcz jest całkowicie stopiony, drugą, w której ocean magmowy leży na powierzchni, oraz trzeci model przypominający kanapkę, który składa się z oceanu magmy na powierzchni, warstwy litej skały w środku i kolejnej warstwy stopionej magmy, która leży najbliżej jądra planety.
Wyniki sugerują, że druga i trzecia forma są nieco częstsze niż planety całkowicie stopione. W zależności od składu oceanów magmy, niektóre egzoplanety pozbawione atmosfery lepiej niż inne wychwytują pierwiastki lotne – związki takie jak tlen i węgiel, niezbędne do powstania wczesnych atmosfer – przez miliardy lat.
Na przykład w badaniu zauważono, że planeta klasy podstawnej magmy, która jest 4 razy masywniejsza od Ziemi, może uwięzić ponad 130 razy większą masę wody niż obecnie w oceanach Ziemi i około 1000 razy większą ilość węgla obecnie obecnego na powierzchni planety i skórka.
„Kiedy mówimy o ewolucji planety i jej potencjale występowania różnych pierwiastków niezbędnych do podtrzymania życia, możliwość uwięzienia wielu lotnych pierwiastków w ich płaszczach może mieć większe implikacje dla możliwości zamieszkania” – powiedział Boley.
Planetom lawowym jeszcze daleko do tego, aby nadawały się do zamieszkania i życia, ale ważne jest, aby zrozumieć procesy, które pomagają tym światom się tam dostać. Niemniej jednak badanie to jasno pokazuje, że pomiar ich gęstości nie jest najlepszym sposobem na scharakteryzowanie tych światów w porównaniu do stałych egzoplanet, ponieważ ocean magmy ani nie zwiększa, ani nie zmniejsza znacząco gęstości planet, powiedział Boley.
Zamiast tego ich badania pokazują, że naukowcy powinni skupić się na innych ziemskich parametrach, takich jak wahania grawitacji powierzchniowej planety, aby przetestować swoje teorie na temat działania światów gorącej lawy, zwłaszcza jeśli przyszli badacze planują wykorzystać swoje dane do pomocy w większych badaniach planet.
„Ta praca, będąca połączeniem nauk o Ziemi i astronomii, zasadniczo otwiera nowe, ekscytujące pytania dotyczące światów lawy” – powiedział Boley.
Badanie zostało wsparte przez Narodową Fundację Nauki. Innymi współautorami są Wendy Panero, Joseph Schulze, Romy Martinez i Ji Wang, wszyscy ze stanu Ohio, a także Cayman Unterborn z Southwest Research Institute.