Media często nas informują, że celem poszukiwaczy planet pozasłonecznych jest odnalezienie skalistej planety o rozmiarach Ziemi, krążącej wokół gwiazdy takiej jak Słońce, w odległości umożliwiającej istnienie wody w stanie ciekłym na jej powierzchni. Innymi słowy – celem poszukiwań jest odnalezienie Ziemi 2.0.
Jednak istnieją ważne powody, dla których powinniśmy być zainteresowani badaniem innych światów, nawet jeżeli na ich powierzchni nie może występować życie. Gorące, skaliste planety mogą skrywać cenne wskazówki co do charakteru i ewolucji wczesnej Ziemi.
Teleskop Keplera odkrył podczas swojej misji ponad 100 gorących, skalistych planet krążących stosunkowo blisko swojej gwiazdy macierzystej. Jeżeli te planety powstały z obłoków międzygwiezdnych o podobnej do ziemskiej obfitości związków lotnych takich jak wodór, woda czy dwutlenek węgla – wokół niż mogą utrzymywać się parne atmosfery.
Powolne „gotowanie na parze” takiej planety nie tylko wygładza zmarszczki na jej powierzchni. Ze względu na fakt, że pierwiastki tworzące skały mogą rozpuszczać się w parze, z czasem może dojść do zmian składu chemicznego, gęstości i budowy wewnętrznej takiej planety – szczególnie jeżeli cała lub część tej parnej atmosfery z czasem ucieknie w przestrzeń kosmiczną.
Bruce Fegley oraz Katharina Lodders-Fegley, profesorowie nauk o Ziemi i planetolodzy z Washington University w St. Louis, opublikowali modele chemii parnej atmosfery pozostającej w równowadze z oceanem magmy przy różnych temperaturach i ciśnieniu. Modele zostały opublikowane 20 czerwca 2016 roku w periodyku The Astrophysical Journal.
Na podstawie swoich badań, naukowcy wypracowali zestaw wskazówek dla poszukiwaczy planet, dotyczących tego co naukowcy mogą dostrzec gdy skierują swoje teleskopy na gorące planety skaliste.
Fakt, że poszukiwacze planet odkryli wiele gorących planet skalistych rozmiarami przypominających Ziemię to tylko jeden z trzech dowodów na wartość tych badań. Pozostałe dwa to rozpuszczalność krzemionki i innych związków, z których zbudowane są skały oraz teoria mówiąca o tym, że Ziemia także na wczesnym etapie swojej ewolucji miała parną atmosferę.
Sama idea tego, że skały rozpuszczają się pod wpływem pary wydaje się mało prawdopodobna na pierwszy rzut oka, ale to wiedza powszechna wśród geologów. „Geologowie głównie skupiają się na bardzo gorącej wodzie lub mieszaninach wody i pary, natomiast my skupiamy się na samej parze i temperaturach o kilkaset stopni wyższych,” mówi Fegley.
Podejrzenie, że wczesna Ziemia posiadała własną parną atmosferę sięga roku 1974, kiedy to Gustave Arrhenius z Scripps Institute of Oceanography zasugerował, że planetazymale, które uderzały w formującą się Ziemię topiły się i uwalniały związki lotne do atmosfery.
Pierwszy model parnej atmosfery wczesnej Ziemi przedstawiony został w 1985 roku przez Yutaka Abe i Takafumi Matsui z Uniwersytetu Tokijskiego. „Głównie interesowała ich fizyka tego zagadnienia i kwestia tego czy gazy cieplarniane działające niczym koc termiczny byłyby w stanie utrzymać powierzchnię planety w stanie stopiony. Wydaje mi się, że jako pierwsi skupiamy się na szczegółach chemicznych tego procesu.”
Fegley i Lodders szczególnie dokładnie przyjrzeli się magnezowi, krzemowi i żelazu, trzem najpowszechniejszych pierwiastkom, które w połączeniu z tlenem tworzą skały – zarówno na Ziemi, jak i na innych planetach typu ziemskiego oraz planetach pozasłonecznych krążących wokół gwiazd charakteryzujących się składem chemicznym podobnym do składu Słońca.
Pierwiastki niezbędne do powstania skał wchodzą w atmosferę jako wodorotlenki (Si(OH)4, Fe(OH)2, Mg(OH)2). Ze względu na różną rozpuszczalność tych związków w parze, ugotowanie planety na parze może zmienić jej skład chemiczny.
„Dla przykładu potas, łatwo rozpuszcza się w parze i jeżeli w ten sposób ucieknie z planety, tracimy także jego radioaktywny izotop co wpływa na zmianę ilości wytwarzanego ciepła na planecie,” mówi Fegley.
„Jeżeli w atmosferze rozpuści się więcej krzemu niż magnezu, a część atmosfery odparuje w przestrzeń kosmiczną, zmieni się stosunek obfitości tych pierwiastków na planecie. To może tłumaczyć dlaczego stosunek krzemu do magnezu na Ziemi jest o 15 procent mniejszy od tego na Słońcu, pomimo faktu, że obydwa ciała powstały z tego samego obłoku międzygwiezdnego.”
„Jeżeli wygotujemy dużo krzemu, może powstać planeta dużo gęstsza niż byśmy oczekiwali. I faktycznie naukowcy odkrywają bardzo gęste planety pozasłoneczne,” mówi Fegley. „Czasami gęstość planety jest niesamowicie wysoka. Gęstość Ziemi wynosi 5,51 g/cm3, ale Corot-7b charakteryzuje się gęstością bliską 10 g/cm3.”
Choć naukowcy bazują swoje eksperymenty na modelach numerycznych – ich wnioski można testować obserwacyjnie.
„Mamy nadzieje, że astrofizycy przygotowujący diagramy masa/promień przy badaniu składu wewnętrznego planet będą uwzględniać także skład chemiczny inny niż na Ziemi,” mówi Fegley.
„Mamy także nadzieję na to, że spektrometry kosmiczne będą przygotowane także do badania gorących planet skalistych. Astrofizycy obserwują krzem, magnez i sód uwalniany z atmosfer gorących jowiszów i gorących neptunów, jednak jak dotąd nie zauważyli takich w przypadku gorących planet skalistych,” dodaje Fegley.
Intensywne promieniowanie ultrafioletowe z pobliskiej gwiazdy najprawdopodobniej rozbija cząsteczki wodorotlenków w górnych warstwach atmosfery. „Fotoprodukty” tych reakcji takie jak monoatomowe gazy aluminium, wapnia, żelaza, magnezu i krzemu mogą być łatwiejsze do zaobserwowania ze względu na ich obfitość oraz wyraźne linie widmowe.
Źródło: Washington University in St. Louis