Исследован кислородный контроль магматизма на скалистых экзопланетах

Кислород не только имеет решающее значение для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, но и образует наиболее распространенный элемент во внешних слоях скалистых планет нашей собственной Солнечной системы и в экзопланетных системах, вращающихся вокруг других звезд. В атмосфере Земли содержится примерно 21% кислорода, который, в целом, может быть тугоплавким и неустойчивым.

В одном случае молекулы кислорода скреплены с катионами, главным образом, с минералами конденсации от планетных дисков, вращающихся вокруг молодых звезд — медью (Сu), магнием (Mg), железом (Fe) и кальцием (Ca). И это является ключевым компонентом внутренней части скалистых экзопланет. Обилие тугоплавкого кислорода контролирует свойства планеты, включая фракцию металлического ядра, состав ядра, минералогию мантии и земной коры.

Во другом случае кислород существует в холодных внешних частях планет, конденсируясь во льдах, например, в виде Н₂О, СО, СО₂. Обилие и активность неустойчивого кислорода в породе описываются с использованием летучести кислорода, обычно количественно определяемый относительно минеральных окислительно-восстановительных буферов. Это устанавливает видообразование летучих видов во время планетарной дегазации, влияющей на состав атмосферы.

Модели для скалистых экзопланет предполагают, что порядка 50% всех атомов в их скалистых оболочках составляют атомы кислорода. Применяя такие модели, ученые привели экспериментальные доказательства значительного влияния планетарного избытка кислорода на плавление горных пород, показывая, что более высокое содержание кислорода в горных породах приводит к их более легкому плавлению. То есть степень и сила магматизма сильно различаются на разных экзопланетами с низким или высоким содержанием кислорода, что открывает возможность связать будущие наблюдения атмосферы экзопланет с внутренними составами, которые невозможно наблюдать непосредственно.

Учены провели эксперименты по плавлению кислородосодержащих пород с использованием синтетического базальта, не содержащего железа. Были использованы современные испытательные машины и приборы определения окислительной стабильности, благодаря которым соблюдался уровень кислорода, представляющий внутренние восстановительные и окислительные условия, наблюдаемые в нашей Солнечной системе.

Результаты показали, что ликвидус (линия полного плавления твёрдых фаз) базальта, не содержащего железа, при давлении в 1 атмосферу снижается практически на 105 °C. Этот эффект сопоставим по размерам с хорошо известным усиленным плавлением горных пород при добавлении воды или углекислого газа. То есть обилие тугоплавкого кислорода может напрямую контролировать динамику дифференциации экзопланет, влияя на условия, в которых происходит магматизм, даже в отсутствие железа или летучих веществ.

Таким образом, экзопланеты с высоким содержанием тугоплавкого кислорода проявляют более обширную и длительную магматическую активность, что приводит к более эффективному и более массовому извержению вулканического газа с большим количеством окисленных газов, чем сопоставимые экзопланеты с более низким содержанием тугоплавкого кислорода.