Oceany na Jowiszu? Parne początki gazowych olbrzymów

Według najnowszych badań Jowisz nie zawsze był wielką kulą wodoru i helu jaką znamy dzisiaj. Nowa hipoteza zakłada, że w swojej młodości Jowisz i inne gazowe olbrzymy mogły na początku być “parowymi światami” – nieco większymi od Ziemi planetami z ciepłym oceanem i atmosferami z pary wodnej.

Ta hipoteza została zaproponowana przez doktora Johna Chambersa z Carnegie Institution of Washington i zakłada, że niektóre protoplanety w trakcie swojego rozwoju mogą ewoluować ze zbiorów odłamków skał i lodu w parowe światy.

W procesie rozrastania się przyszłej planety gromadzi ona z otoczenia okruchy skalne i lód. Gdy jest ona już wystarczająco masywna, wzrastające ciśnienie powoduje topnienie obecnego na protoplanecie lodu, a powstała woda tworzy na powierzchni oceany. Ze względu na brak powietrza, woda i inne substancje płynne sublimują i tworzą atmosferę składającą się głównie z pary wodnej. Według doktora Chambersa nawet małe protoplanety wielkości 0,08-0,16 masy Ziemi mogą być wystarczająco ciepłe (zazwyczaj od 0 do 3470C), aby taki proces mógł mieć miejsce.

Na podstawie swojego modelu doktor Chambers obliczył, że optymalne warunki powstania gazowego olbrzyma to protoplaneta z wyjściową masą niższą niż masy 10 Ziem. Model wyjściowy zakłada, że orbitowałaby gwiazdę podobną do Słońca w odległości około 3 razy dalszej niż dystans od Słońca do Ziemi. Przykładowa protoplaneta składałaby się w połowie z lodu, w połowie z odłamków skalnych, a jej atmosfera byłaby bardzo cienka i złożona z zsublimowanego lodu. Po osiągnięciu masy 0,084 masy ziemskiej, rozpocząłby się proces topnienia lodu pod ciśnieniem atmosferycznym, z którego woda utworzyłaby ocean. Później wraz ze wzrostem masy planety (2-5 razy większej od masy Ziemi), zaczęłaby ona gromadzić wokół siebie również wodór i hel ze swojej gwiazdy centralnej.

Ze względu na dużą zawartość pary wodnej w atmosferze, temperatura protoplanety stopniowo by wzrastała. Równolegle do jej wzrostu, rosłoby również jej ciśnienie atmosferyczne, dzięki czemu atmosfera mogłaby zaabsorbować jeszcze większą ilość pary wodnej. Ostatecznie ciśnienie atmosferyczne planety stałoby się tak wysokie, że woda w oceanie nie byłaby już w stanie płynnym, ale w stanie nadkrytycznym. Jest to stan, w którym temperatura i ciśnienie są większe od ciśnienia i temperatury punktu krytycznego danej substancji, przez co zanika granica pomiędzy jej stanem płynnym, a gazowym. W modelu doktora Chambersa w tym momencie zanikałby podział pomiędzy wodą, a parą wodną pozostawiając wokół protoplanety mieszaninę wody i pary wodnej z wodorem i helem zgromadzonymi przez jej siły grawitacyjne.

Jeśli hipoteza doktora Chambersa okaże się poprawna, można by założyć, że jądro Jowisza ma masę jedynie kilkukrotnie przewyższającą masę Ziemi. Następnym krokiem dla naukowców jest odniesienie nowej hipotezy do większego zbioru danych o egzoplanetach. Wyniki dotychczasowych badań doktora Chambersa zostały przyjęte do publikacji w czasopiśmie Astrophysical Journal, a ich ogólnodostępna wersja jest umieszczona na portalu arXiv.org.


Źródło: portal arxiv.org

Więcej informacji:

Na zdjęciu: zdjęcie południowego bieguna Jowisza zrobione przez sondę Juno. Źródło: NASA.