Глубоко под поверхностью далеких экзопланет, известных как суперземли, могут существовать океаны расплавленных пород, значение которых до недавнего времени недооценивали. Новое исследование показывает, что такие магматические слои способны поддерживать мощные магнитные поля, защищающие целые планеты от космического излучения и потоков высокоэнергетических частиц.
На Земле магнитное поле возникает за счет движения жидкого железа во внешнем ядре — этот механизм называют геодинамо. У более массивных каменистых планет условия могут складываться иначе. Их ядра часто оказываются либо слишком твердыми, либо чрезмерно жидкими, из-за чего классическая земная схема может не работать. Долгое время это считалось серьезным препятствием для появления магнитного поля у суперземель.
Исследователи из Университета Рочестера предложили другой вариант. В своей работе они описывают альтернативный источник планетарного магнетизма — глубокий слой расплавленной породы у основания мантии, так называемый базальный магматический океан. По их расчетам, именно он способен играть ключевую роль в формировании магнитного поля на крупных каменистых планетах.
Суперземлями называют планеты, которые по массе и размерам превосходят Землю, но уступают газовым гигантам вроде Нептуна. Считается, что такие миры имеют твердую поверхность и состоят преимущественно из горных пород. Это самый распространенный тип экзопланет в нашей галактике, хотя в Солнечной системе им не нашлось прямых аналогов. Название отражает лишь масштаб планеты и не говорит о сходстве с Землей по условиям или строению.
Интерес к суперземлям во многом связан с тем, что многие из них обращаются в обитаемых зонах своих звезд, где на поверхности теоретически может существовать жидкая вода. Чтобы оценить, насколько такие миры пригодны для жизни, ученые изучают их атмосферу, внутреннее строение и наличие магнитного поля, которое защищает планету от разрушительного воздействия излучения звезды.
Авторы работы исходили из предположения, что на ранних этапах эволюции Земля тоже обладала базальным магматическим океаном — слоем частично или полностью расплавленной породы на границе мантии и ядра. Со временем он остыл и исчез, но у более массивных планет подобные области могут сохраняться значительно дольше. Высокое давление внутри суперземель делает существование таких долгоживущих магматических слоев гораздо более вероятным.
Чтобы проверить гипотезу, ученые попытались воспроизвести экстремальные условия недр суперземель в лаборатории. Для этого они использовали лазерные ударные эксперименты, квантово-механические расчеты и модели эволюции планет. Основное внимание уделялось тому, как ведут себя расплавленные силикатные породы при давлениях, характерных для глубоких слоев мантии крупных каменистых миров.
Полученные результаты оказались неожиданными. При столь высоком давлении расплавленная порода начинает достаточно хорошо проводить электрический ток, чтобы поддерживать динамо-эффект. Это означает, что движение магмы само по себе может создавать устойчивое магнитное поле, способное существовать миллиарды лет. По оценкам исследователей, на планетах в три–шесть раз массивнее Земли такой механизм способен формировать поля даже более сильные и долговечные, чем земное.
Если эти выводы подтвердятся, они заметно меняют представления о внутреннем устройстве суперземель и расширяют круг планет, которые потенциально могут быть обитаемыми. Магнитное поле играет важную роль в сохранении атмосферы и защите поверхности, а наличие альтернативного источника магнетизма делает крупные каменистые миры более благоприятными для жизни, чем считалось раньше.
Авторы подчеркивают, что их работа - результат тесного сотрудничества специалистов из разных областей — от вычислительной физики до экспериментальной геофизики. Следующим шагом они называют прямые наблюдения магнитных полей экзопланет, которые позволят проверить гипотезу на практике и лучше понять, какие миры за пределами Солнечной системы действительно могут оказаться пригодными для жизни.