A víz létrejötte a bolygók kialakulásának folyamatában régóta izgatja a tudósokat, hiszen a folyékony víz jelenléte alapvető feltétele az élet kialakulásának. Egy friss, Nature folyóiratban megjelent tanulmány most laboratóriumi kísérletekkel igazolta, hogy a víz természetes módon keletkezik a fiatal bolygók légköre és magmás óceánja közötti kölcsönhatások során. A kutatásban a Carnegie Intézet, az Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) és az UCLA szakemberei vettek részt.
A kutatás háttere és jelentősége
A Tejútrendszerben ismert több mint 6000 exobolygó közül a leggyakoribb típus az úgynevezett Sub-Neptunok. Ezek kisebbek Neptunnál, de nagyobbak Földünknél, és feltételezhetően sziklás belsővel rendelkeznek, vastag, hidrogén-domináns légkörrel körülvéve. Ezért kiváló modellek arra, hogy megértsük, miként szerezhettek ezek a sziklás bolygók jelentős mennyiségű vizet – ami kulcsfontosságú volt az élet kialakulásához a Földön, és alapvető tényezője a bolygók lakhatóságának.
Francesca Miozzi (Carnegie) így fogalmazott: „Az exobolygók sokféleségének gyorsan bővülő ismerete lehetővé tette számunkra, hogy új részleteket képzeljünk el a sziklás bolygók korai fejlődési szakaszairól. Ez megnyitotta az utat egy új vízforrás feltételezésére – amely régóta vitatott kérdés volt a földtudósok és bolygótudósok körében –, azonban eddig nem álltak rendelkezésre kifejezetten erre irányuló kísérleti eredmények.”
Az AEThER projekt és multidiszciplináris megközelítés
A kutatás az AEThER (Atmospheric Empirical, Theoretical, and Experimental Research) projekt része, amelyet Anat Shahar vezet. Az Alfred P. Sloan Alapítvány által finanszírozott kezdeményezés számos tudományterület – csillagászat, kozmokémia, bolygódinamika, petrológia és ásványfizika – szakértőit egyesíti annak érdekében, hogy választ találjon arra a kérdésre, milyen tulajdonságok teszik lehetővé egy sziklás bolygó számára az életbarát környezet kialakulását.
Különösen arra fókuszálnak, hogyan kapcsolódnak össze a bolygók légköri megfigyelései azok kőzettestének fejlődésével és dinamikájával.
Kísérleti módszer: extrém körülmények között vizsgálták a vízképződést
Bár korábbi matematikai modellek már jelezték, hogy az atmoszférikus hidrogén és az vasat tartalmazó magmás óceán kölcsönhatása jelentős mennyiségű vizet hozhat létre bolygóformálódáskor, átfogó kísérleti bizonyítékok eddig hiányoztak.
Miozzi és Shahar vezetésével egy nemzetközi kutatócsoport az IPGP és UCLA szakembereivel együttműködve olyan körülményeket teremtett meg laboratóriumban, amelyek egy fiatal bolygó korai légköre (hidrogén) és magmás óceánja (vasban gazdag szilícium-dioxid olvadék) közötti kölcsönhatást modellezik.
- Nyomás: akár 600 000-szerese a földi légköri nyomásnak (60 gigapascal)
- Hőmérséklet: több mint 4000 Celsius-fok (7200 Fahrenheit-fok)
Ezek az extrém körülmények lehetővé tették annak vizsgálatát, hogyan oldódik fel a hidrogén az olvadt kőzetben és miként keletkezik víz vas-oxid redukció révén molekuláris hidrogén jelenlétében.
A fiatal sziklás bolygók fejlődési folyamata
Egy fiatal csillag körül por- és gázkorong alakul ki, amelyből apró testek formálódnak. Ezek ütköznek egymással, növekednek és felmelegszenek annyira, hogy hatalmas magmás óceánná olvadnak össze. Ezt gyakran vastag molekuláris hidrogénből álló légkör veszi körül, amely „hőtakaróként” működik: évmilliárdokig fenntartja a magma óceánt mielőtt lehűlne.
Kutatási eredmények és következményeik
Miozzi
Ezek az eredmények azt mutatják, hogy egyszerre tárolható nagy mennyiségű hidrogén a magmás óceánban miközben aktív vízképződés zajlik. Ez alapvetően befolyásolja a bolygó belső fizikai-kémiai tulajdonságait, hatással lehet például a mag kialakulására és a légkör összetételére is.
A víz szerepe a lakhatóságban és az exobolygók keresése
Anat Shahar így foglalta össze: „A folyékony víz jelenléte kulcsfontosságú tényezője egy bolygó lakhatóságának. Kutatásunk bizonyítja, hogy nagy mennyiségű víz természetes módon keletkezik már magának a bolygóformálódási folyamatnak következtében. Ez jelentős előrelépést jelent abban, ahogyan távoli világokat keresünk olyan exobolygók között, amelyek alkalmasak lehetnek élet befogadására.”
Összegzés
Ez az úttörő kutatás új fényt vet arra, hogyan jött létre a víz – az élet egyik legfontosabb építőeleme – már akkor is, amikor egy fiatal sziklás bolygó még csak formálódott. A laboratóriumi kísérletek megerősítették azt az elméleti feltételezést, miszerint a hidrogénnel teli atmoszféra és egy vasban gazdag magmás óceán kölcsönhatása során jelentős mennyiségű víz keletkezik. Ez nemcsak Földünk múltját érinti mélyebben, hanem segíthet abban is, hogy jobban megértsük más csillagrendszerekben található exobolygók potenciális lakhatóságát.
Kép forrása: Navid Marvi / Carnegie Science