Суперземли принято считать ближайшими родственниками Земли среди известных экзопланет. Они относятся к каменным мирам и имеют массу от одной до десяти земных. Однако новое исследование показывает, что внутри таких планет условия могут радикально отличаться от земных. Огромное давление в глубинах массивных суперземель способно препятствовать плавлению вещества, поэтому их глубокие мантии могут оставаться твёрдыми даже при чрезвычайно высокой температуре.
Для понимания этого результата важно учитывать, что речь идёт не о наблюдении конкретной мантии экзопланеты. Учёные пока не могут непосредственно исследовать недра далёких миров. Вывод сделан на основе компьютерных расчётов, которые показывают, как должен вести себя один из минералов при давлениях, недостижимых в обычных земных условиях.
Почему суперземли устроены иначе
Суперземля — это не обязательно увеличенная копия нашей планеты. Название описывает прежде всего диапазон массы, а не сходство с Землёй. Такая планета может иметь совершенно другую температуру, атмосферу, скорость вращения, химический состав и внутреннюю структуру.
Особенно большие различия должны возникать глубоко под поверхностью. Чем массивнее каменная планета, тем выше давление в её недрах. В суперземлях оно может достигать таких значений, при которых минералы, привычные для земной мантии, перестраивают свою кристаллическую структуру и переходят в другие формы.
Одним из основных строительных материалов каменных планет является ортосиликат магния. На Земле различные формы этого вещества участвуют в строении мантии. Но при последовательном увеличении давления атомы минерала могут располагаться иначе, создавая новые кристаллические структуры.
Для суперземель это особенно важно, поскольку давление в их глубоких мантиях может быть значительно выше того, с чем сталкиваются минералы в недрах Земли.
Минерал, которого практически нет в земных условиях
Ортосиликат магния при определённых давлениях способен существовать в форме, которую называют post-post-spinel, или «пост-пост-шпинель».
На Земле исходная структура шпинели встречается в мантии, но при ещё более высоких давлениях она распадается на другие минералы. В условиях значительно более массивной каменной планеты вещество снова может стать устойчивым, но уже в совершенно другой кристаллической форме.
Исследователи считают, что post-post-spinel способен быть одним из основных минералов глубоких мантии массивных суперземель.
Именно поэтому его поведение при нагревании имеет большое значение. Если такой минерал легко плавится, глубокие слои планеты могут содержать значительные области расплава. Если же он сохраняет твёрдость при очень высоких температурах, внутренняя структура суперземли будет принципиально другой.
Учёным пришлось обратиться к компьютерным расчётам
Создать в лаборатории условия, существующие на огромной глубине суперземли, крайне сложно. Особенно трудно одновременно получить необходимое давление и температуру, а затем надёжно определить состояние вещества.
Поэтому исследовательская группа использовала вычислительный метод, основанный на термодинамических расчётах. С его помощью удалось изучить поведение post-post-spinel при давлениях до 1300 гигапаскалей.
Это давление относится к совершенно иному диапазону, чем привычные земные условия. Оно соответствует условиям, которые могут существовать в глубокой мантии достаточно массивных каменных планет.
Расчёты позволили определить, при каких температурах исследуемая структура минерала должна переходить из твёрдого состояния в расплав.
Минерал оказался необычайно устойчивым к плавлению
Результат оказался неожиданным.
В зависимости от давления температура плавления post-post-spinel, согласно расчётам, составляет примерно от 9780 до 14 897 кельвинов. Это значительно выше температур плавления ряда других минералов, которые имеют большое значение для строения земной мантии.
Иными словами, исследуемая форма ортосиликата магния относится к чрезвычайно тугоплавким материалам.
Для планетологии это принципиально важно. В глубинах массивной суперземли давление не обязательно должно приводить к появлению большого количества расплава. Напротив, оно способно стабилизировать кристаллическую структуру вещества настолько сильно, что минерал будет оставаться твёрдым при температурах, которые для других материалов уже оказались бы достаточными для плавления.
Железо не отменяет результат
Реальные планеты не состоят из абсолютно чистых минералов. В их недрах присутствуют различные примеси, в том числе железо.
Поэтому исследователи также оценили, что произойдёт при добавлении железа к рассматриваемому материалу.
Железо снижает температуру плавления post-post-spinel, однако даже после его добавления расчётная температура плавления остаётся выше температур, которые ожидаются в глубоких мантиях большинства рассмотренных каменных планет.
Это усиливает основной вывод исследования: для многих массивных суперземель плавление глубоких силикатных слоёв может быть маловероятным.
При этом результат не означает, что железо вообще не способно привести к плавлению. При достаточно высокой температуре или определённом составе недр условия могут измениться. Исследование показывает именно общую тенденцию для рассмотренного диапазона параметров.
Даже очень горячая суперземля может иметь твёрдые глубокие слои
Особенно интересен тот факт, что состояние поверхности и состояние глубоких недр могут сильно различаться.
Планета может находиться очень близко к своей звезде и иметь чрезвычайно горячую поверхность. Это не означает автоматически, что её мантия целиком расплавлена.
Давление увеличивается с глубиной, и в самых глубоких слоях оно способно настолько менять свойства вещества, что там сохраняется твёрдая фаза.
Хорошим примером исследователи считают 55 Cancri e — одну из хорошо изученных суперземель. Она имеет массу примерно в восемь раз больше земной и совершает полный оборот вокруг своей звезды примерно за восемьдесят часов. Температура её поверхности очень высока, и ранее её рассматривали как возможный мир с поверхностным океаном магмы.
Однако результаты нового моделирования показывают, что даже у столь горячей суперземли глубокая мантия может оставаться твёрдой.
Это важное различие: расплав на поверхности или в верхней части мантии не означает существования глобального расплавленного внутреннего пространства.
Почему твёрдая мантия важна для эволюции планеты
Внутреннее состояние планеты определяет то, каким образом она теряет тепло.
Земля постоянно отдаёт энергию из недр в более холодные внешние слои. В мантии происходит медленное движение вещества, которое связано с переносом тепла. Такие процессы происходят на огромных промежутках времени.
Если глубокая мантия суперземли состоит преимущественно из очень тугоплавкого материала, её динамика может отличаться от земной.
В частности, твёрдое вещество в таких условиях может быть чрезвычайно вязким. Это означает, что оно способно деформироваться и перемещаться, но гораздо медленнее, чем обычные жидкости.
Следовательно, даже твёрдая мантия не является абсолютно неподвижной. На геологических масштабах времени вещество мантии может участвовать в движении и передаче тепла.
Но характер этого движения может значительно отличаться от того, что происходит внутри Земли.
Магма может не проникать в самые глубокие области
Полученные результаты имеют ещё одно следствие.
Массивная каменная планета после своего формирования могла быть очень горячей и иметь значительные области расплава. Однако это не означает, что расплавленный материал обязательно распространялся до самого центра или глубокой части мантии.
Если post-post-spinel действительно является доминирующей фазой глубоких слоёв и обладает рассчитанной высокой температурой плавления, то огромные давления способны ограничивать глубину распространения расплавов.
В таком случае молодая суперземля могла пройти через период сильного внутреннего нагрева и последующего охлаждения, но её наиболее глубокие силикатные слои при этом оставались твёрдыми.
Это отличается от представления о суперземле как о планете, практически целиком состоящей из расплавленной породы.
Что происходит с теплом внутри суперземли
Для каменной планеты важно не только количество внутреннего тепла, но и то, насколько эффективно оно перемещается.
На Земле перенос тепла в мантии связан с медленным движением вещества. Чем легче мантия перемещается, тем эффективнее она может перераспределять внутреннюю энергию.
Если глубокая мантия суперземли отличается значительно большей вязкостью, её движение может быть менее интенсивным.
Это потенциально меняет темпы охлаждения планеты и её внутреннюю эволюцию.
Однако здесь необходимо соблюдать осторожность. Новое исследование определяет прежде всего свойства минерала и условия его плавления. Оно не даёт полного описания геологической истории каждой суперземли.
Для таких выводов необходимо дополнительно учитывать состав всей мантии, температуру, количество железа и летучих веществ, а также тепловую историю конкретной планеты.
Связь с магнитными полями
Состояние мантии может иметь значение и для магнитного поля планеты.
Земное магнитное поле создаётся движением жидкого металла во внешнем ядре. Движение этого электропроводящего вещества поддерживает планетное динамо.
Охлаждение и передача тепла внутри планеты связаны с тем, как меняются условия в ядре. Поэтому свойства мантии потенциально могут влиять на внутреннюю эволюцию и условия формирования магнитного поля.
Исследование указывает именно на такую возможность: если глубокие мантии суперземель действительно остаются твёрдыми и отличаются высокой вязкостью, это следует учитывать при моделировании их внутренней динамики и магнитных полей.
Но прямой связи «твёрдая мантия — отсутствие магнитного поля» здесь нет. Магнитное поле зависит прежде всего от процессов в ядре и целого комплекса внутренних параметров.
Почему Земля не позволяет просто перенести известные модели на суперземли
Большая часть знаний о внутреннем устройстве каменных планет получена благодаря изучению Земли.
Мы располагаем сейсмическими данными, сведениями о земных минералах, образцах пород и физических свойствах вещества при разных давлениях и температурах.
Однако в суперземлях давление в глубине может быть настолько большим, что появляются минералы и кристаллические структуры, которые не играют такой же роли в земной мантии.
Поэтому нельзя просто увеличить размеры земной модели и считать, что внутри получится та же последовательность слоёв.
При переходе к более массивным планетам необходимо учитывать новые фазы вещества.
Именно это делает изучение минералов высокого давления важной частью современной науки об экзопланетах.
Что означает термин «суперземля»
Важно помнить, что суперземля — это классификация по массе, а не утверждение о сходстве с нашей планетой.
Такая планета может иметь массу от одной до десяти земных, но при этом совершенно отличаться от Земли.
Она может быть горячей или относительно холодной, иметь плотную атмосферу или практически лишиться её, находиться близко к звезде или обращаться на более далёкой орбите.
Даже две суперземли одинаковой массы могут иметь разное внутреннее устройство из-за различий в составе и истории формирования.
Поэтому исследование глубинных минералов позволяет перейти от простой характеристики «масса планеты» к более физически содержательному вопросу: какие состояния вещества возможны внутри такого мира?
Давление становится главным фактором
На поверхности Земли минералы находятся в сравнительно мягких условиях. В глубине планеты ситуация постепенно меняется.
Атомы оказываются всё ближе друг к другу, а кристаллические структуры перестраиваются.
На определённом уровне давления одни минералы становятся неустойчивыми, а другие — наоборот, получают преимущество.
В суперземле этот процесс продолжается значительно глубже.
Поэтому в её недрах могут появляться фазы вещества, практически неизвестные в повседневной физике и нехарактерные для поверхности Земли.
Post-post-spinel является одним из таких примеров.
Исследование помогает понять не отдельный минерал, а целый класс планет
Научная ценность работы не ограничивается определением температуры плавления одного вещества.
Если post-post-spinel действительно является важной составляющей глубоких мантии массивных каменных планет, его свойства должны учитываться при моделировании этих миров.
Это позволяет по-другому оценивать вероятность существования расплавов на больших глубинах, характер переноса тепла и возможную эволюцию планетных недр.
В дальнейшем такие модели можно сопоставлять с наблюдаемыми характеристиками экзопланет.
Астрономы не способны непосредственно увидеть мантию далёкой суперземли, но могут постепенно ограничивать диапазон возможных моделей её внутреннего строения.
Есть и важные ограничения
Исследование не доказывает, что глубокая мантия каждой суперземли твёрдая.
Расчёты относятся к определённому минералу и определённому диапазону физических условий. Реальные планеты могут иметь другие концентрации железа, летучих веществ и других компонентов.
Кроме того, внутреннюю температуру конкретной экзопланеты невозможно измерить напрямую.
Особенно сложным остаётся вопрос о связи температуры поверхности с температурой глубинных слоёв. Толстая атмосфера, сильное облучение звезды и другие факторы могут влиять на тепловое состояние планеты, однако точная связь между внешними и внутренними условиями пока остаётся недостаточно изученной.
Поэтому результаты следует рассматривать как важное ограничение для моделей, а не как окончательную реконструкцию недр всех суперземель.
Что будет изучаться дальше
Следующим шагом станет уточнение свойств высокобарических минералов и их поведения при разных составах.
Особенно важны эксперименты и расчёты с учётом железа и летучих веществ. Они позволят определить, насколько сильно состав планеты способен изменить температуру плавления.
Не менее важны новые исследования внутренней динамики суперземель. Если их глубокие мантии действительно преимущественно твёрдые и очень вязкие, необходимо понять, насколько эффективно они способны перемещать тепло.
Отдельный вопрос — влияние такой структуры на ядро и возможные магнитные поля.
Ответы на эти вопросы помогут связать физику минералов с более масштабной картиной эволюции экзопланет.
Суперземли могут быть «твёрже», чем предполагалось
Главный результат исследования заключается в том, что экстремальное давление внутри массивных каменных планет может подавлять глубокое плавление.
Post-post-spinel, высокобарическая форма ортосиликата магния, по расчётам сохраняет твёрдость при температурах значительно выше, чем родственные минералы, характерные для более привычных условий земной мантии. При исследованных давлениях его температура плавления находится примерно в диапазоне от 9780 до 14 897 кельвинов.
Даже добавление умеренного количества железа не приводит к снижению температуры плавления настолько, чтобы сделать глубокое плавление неизбежным для большинства рассмотренных каменных планет.
Поэтому многие массивные суперземли могут иметь твёрдые глубокие мантии, даже если их верхние слои или поверхность чрезвычайно горячие и содержат расплав.
Это меняет представление о том, как должны выглядеть внутренние слои крупных каменных миров. Суперземля может быть раскалённой снаружи, иметь поверхностную магму и при этом скрывать под ней огромную область твёрдого вещества, стабилизированного колоссальным давлением.
Именно такие особенности делают изучение экзопланетных недр отдельной задачей планетологии: внешне похожие на Землю каменные миры могут внутри подчиняться совершенно другим физическим условиям.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
