Vulkanismus na vzdálené exoplanetě

Jak vypadá nitro exoplanety a jaké minerály tu existují? Počítačové modely a znalosti vlastní geologie umožňují odhadnout, jaké podmínky panují v podzemí exoplanet. Jak vypadají tamní sopky? (délka blogu 5 min.)

Poslední tři desetiletí nás nadchly objevem více než 6 000 exoplanet. Vědci se navíc díky rozvoji moderních pozorovacích technologií už nemusí spokojit jen s detekcí planet. Dnes už mohou měřit různé parametry jako hmotnost a poloměr, zkoumají atmosféry exoplanet, jejich klima a vnitřní struktury vzdálených světů.

Odborníky i laiky samozřejmě zajímají hlavně takzvané superzemě, které mají podobně jako Země pevný povrch a nitro, které se skládá ze silikátů a kovů. Jejich vnitřní architektura ovlivňuje schopnost planety udržet si dlouhodobě vodu v kapalném stavu a vytvářet sekundární atmosféru díky aktivitě vulkánů. Obě skutečnosti považujeme za nezbytné pro možnou existenci života na takových planetách.

Od geologie k exoplanetám

Složení minerálů a jejich změny v planetárním plášti určují nejen hustotu a vnitřní teplotu planety, ale i uvolňování plynů z magmatického oceánu do atmosféry. Geologické procesy, které se odehrávají pod povrchem exoplanet jsou tedy napínavou detektivkou, která může vysvětlit údaje o stavu atmosféry pozorované vesmírným teleskopem Jamese Webba.

Nitro vzdálených exoplanet samozřejmě neumíme pozorovat přímo. Samotné kombinace hmotnosti a poloměru planety se mohou vysvětlovat různými vnitřními modely, takže potřebují další upřesnění. Vědci se tedy neobejdou bez určení přesnějšího chemického složení mateřské hvězdy.

Hvězda i planety, které ji obíhají, totiž kdysi vznikaly ze stejného protoplanetárního disku. Planety doslova dědí základní poměry různých prvků od své hvězdy. Chemické prvky jako hořčík, křemík, železo, vápník, hliník, titan nebo nikl nepodléhají během kondenzace výrazným změnám - a jejich vzájemné poměry ve hvězdné fotosféře tedy poměrně přesně prozrazují složení planetárního stavebního materiálu.

Samozřejmě že tyto hodnoty neznáme u všech aktuálně zkoumaných hvězd - naštěstí se ovšem dají celkem spolehlivě odhadnout díky pozorování ostatních hvězd, které se jim podobají.

Velká část dnes známých exoplanet obíhá kolem červených trpaslíků typu M. To je dané způsobem, jakým se je snažíme nalézt a také četností těchto malých poměrně chladných hvězd v naší galaxii. Představují totiž kolem 70 procent všech hvězd. Má to ale jeden háček. Spektra těchto hvězd jsou sice zatížena přítomností nejrůznějších molekul, vědci mají ovšem dnes už různé metody, jak se s těmito problémy vypořádat.

Superzemě GJ 486b

GJ 486b obíhá kolem červeného trpaslíka GJ 486, který se nachází ve vzdálenosti přibližně 30 světelných roků. Tato planeta dosahuje hmotnosti přibližně 3 hmotností Země a poloměru zhruba 1,33 poloměru Země. Hvězda GJ 486 se vyznačuje vyšším poměrem hořčíku ke křemíku, než jak ho známe ze Země. To samozřejmě mění chemickou rovnováhu vznikajícího planetárního pláště, takže se už nemůže podobat pozemskému.

Zatímco plášť Země obsahuje přibližně 45 % oxidu křemičitého a okolo 8 % oxidu železnatého, plášť exoplanety GJ 486b je obohacený železem.

Podíl oxidu železnatého v plášti této superzemě je odhadován (v závislosti na zvoleném hvězdném modelu) na 16 až 30 %, zatímco obsah oxidu křemičitého klesá na 30 až 36 %. Tento chemický posun nastává proto, že nižší relativní zastoupení křemíku ponechává v systému více volného kyslíku, který namísto tvorby křemičitanů oxiduje železo, čímž ho zadržuje v plášti. To je rozdíl oproti Zemi, kde se mohlo železo ve své kovové a neoxidované formě podílet na tvorbě kovového jádra.

^{Minerální složení superzemě}

^{Množství různých oxidů samozřejmě ovlivňuje také druhy minerálů, které tvoří vzdálenou exoplanetu. Vědci odhadují, že je vrchní plášť planety GJ 486b tvořen především olivínem, spinely, klinopyroxenem, granátem a magnesiowüstitem.}

^{Ve srovnání se Zemí by tu mělo být méně clinopyroxenu a orthopyroxen se v těchto podmínkách stává dokonce nestabilní.}

^{Rychlejší nárůst tlaku s hloubkou, způsobený silnější gravitací a větší hmotností superzemě, posouvá příslušné fázové přechody do výrazně mělčích hloubek než na naší planetě. Dochází tu k přeměnám olivínu na wadsleyit a následně na ringwoodit.}

^{Díky tamnímu vyššímu tlaku by se tu naopak měly tvořit takové minerály jako ilmenit nebo struktury typu kalcium-ferritu, které jsou v pozemském plášti zastoupeny jen málo.}

^{Na hranici jádra a pláště je tlak až 390 GPa. Pro srovnání - na Zemi je to jen asi 138 GPa, na exoplanetě GJ 486b se tedy dá očekávat skoro třikrát vyšší tlak na hranici pláště a jádra.}

^{Ringwoodit se tu rozpadá na bridgmanit, magnesiowüstit, kalcium-perovskit a kalcium-ferrit. Protože bridgmanit vyžaduje ke své tvorbě křemík, jeho celkový podíl v plášti superzemě je omezen nedostatkem oxidu křemičitého. Magnesiowüstit se stává v těchto podmínkách hlavní fází spodního pláště.}

^{V nejhlubších vrstvách spodního pláště přechází bridgmanit do struktury post-perovskitu. Ten zvyšuje tepelnou vodivost v hlubokém nitru. To zase může vést ke vzniku víceúrovňové konvekce, kde je cirkulace v hlubokém plášti částečně oddělena od proudění ve svrchních vrstvách.}

^{Zvýšená tepelná vodivost post-perovskitu zároveň ovlivňuje přenos tepla přes hranici jádra a pláště, takže může zpomalit chladnutí kovového jádra.}

^{Vysoký podíl výše zmiňovaného magnesiowüstitu snižuje viskozitu spodního pláště, což by teoreticky mělo usnadňovat plastickou deformaci. Tento efekt je však vyvažován silným gravitačním gradientem, který může potlačovat celoplášťovou konvekci roztavené a plastické horniny.}

Jak by mohla vypadat vulkanická činnost na exoplanetě?

Vulkanická aktivita na exoplanetě GJ 486b se tedy od pozemské liší. Zdejší láva obsahuje málo křemíku, který na Zemi způsobuje hustotu a tuhost magmatu. Láva tu nejspíš bude extrémně řídká a tekutá. Sopky tu nevybuchují a nechrlí mračna popela, ale magma z nich jen klidně a plynule vytéká.

Díky nízké viskozitě lávy se tavenina dokáže rozlít do obrovských vzdáleností. Na povrchu tak nejspíš nevznikají kuželovité sopky, ale rozlehlé a ploché lávové plošiny.

Gravitace planety a složení hlubokých vrstev pláště brzdí plynulý přenos tepla a materiálu z horkého nitra k povrchu. Sopečná činnost tedy neprobíhá nepřetržitě, ale v dlouhých cyklech. Celá staletí nebo tisíciletí mohou být sopky klidné. Pak následuje aktivnější období.

Vulkanismus, který se omezuje na jednu část povrchu

Jelikož je planeta ke své hvězdě natočena stále stejnou stranou, na denní polokouli panují extrémní teploty. Tento obrovský teplotní rozdíl mezi denní a noční stranou ovlivňuje proudění hornin v nitru planety a způsobuje, že většina sopečné aktivity a výstupu magmatu na povrch probíhá přednostně na jedné polokouli.

Přitom teplejší kůra planety na denní straně méně vzdoruje vystupujícím horkým proudům magmatu z nitra planety. Magma tu tedy proniká k povrchu intenzivněji právě na denní polokouli. Vulkanismus bude nejintenzivnější tam, kde se nachází nejteplejší místo na povrchu GJ 486b.

Plyny uvolňované při erupcích nejspíš obsahují velké množství sloučenin železa, uhlíku a síry. Případná atmosféra, která bude ovlivněná těmito sopečnými plyny může tedy mít jiné chemické složení než atmosféra, kterou známe z raných fází vývoje naší vlastní planety.

Jak přesné jsou odhady?

Záleží samozřejmě na vstupních datech. Počítačové simulace ale odhalily podobné výsledky, i když se vstupní data lišila v rozmezí 10 procent.

Jinými slovy, i když se zastoupení různých prvků trochu liší, bývá výsledkem vývoje plášť planety bohatý na železo a ochuzený o křemík. Model, který je popsán výše, tedy platí i v těchto případech.

Naše představy o struktuře exoplanet ovšem nepočítají s různými lokálními odchylkami, které se mohly vyskytnout během složitého vývoje planetárního systému, jako třeba migrace planet. Modely se tedy nedají využít pro všechny soustavy bez ohledu na jejich konkrétní stav.

^{Zdroje: Stellar Abundances as Probes of Rocky Exoplanet Interiors: The Mantle Composition and Mineralogy of GJ 486b, Harshit Krishna, Asmit Gupta, Sneha Bhowmik, Chandan K. Sahu, Sudipta Mridha, Liton Majumdar, Earth and Planetary Astrophysics, 19 Aug 2026, Odkaz, [Odkaz, [Odkaz, [Odkaz, [Odkaz, [Odkaz}