Океан из жидкой воды, который скрывается под ледяной корой Плутона, не превратился в лед благодаря теплоизолирующему слою из клатратов — льда, внутри кристаллической решетки которого «заперты» молекулы газов, считают авторы статьи, опубликованной в журнале Nature Geoscience.
Астрономы полагают, что подледные океаны из жидкой воды могут существовать на многих телах Солнечной системы. Например, есть надежные свидетельства наличия таких океанов под поверхностями спутников планет-гигантов Европы и Энцелада. В прошлом подобный океан почти наверняка находился внутри расположенной в главном поясе астероидов карликовой планеты Цереры. Еще одним потенциальным объектом с жидким океаном является Плутон.
Плутон впервые был детально исследован зондом «Новые Горизонты» в 2015 году. Вопреки ожиданиям многих специалистов, это далекое тело Солнечной системы геологически очень разнообразно. В частности, одна из деталей рельефа, получившая названия равнина Спутника, находящаяся на оси, соединяющей центры Плутона и его спутника Харона. Такое расположение ученые уже ранее связали с гравитационной аномалией региона, которую наилучшим образом удалось объяснить произошедшим в прошлом соударением с крупным телом и последующим поднятием плотного вещества жидкого океана.
Существование до сих пор незамерзшего океана жидкой воды на Плутоне на первый взгляд представляется маловероятным, так как это требует относительно высокой температуры в ядре тела. Однако у Плутона нет явных внутренних источников тепла, в отличие, например, от спутников планет-гигантов, которые постоянно разогреваются из-за приливных взаимодействий с планетами. Тепла, генерируемого при распаде радиоактивных элементов, также по расчетам ученых не должно хватать для достаточно сильного нагрева.
Потенциально тепло может удерживать толстый поверхностный слой пористого льда с высоким содержанием замерзшего молекулярного азота. Однако в таком случае в глубине должны находиться ледяные слои при относительно высокой температуре, но в таком случае льды обладают низкой вязкостью, что приведет к возникновению движений, которые выровняют любые локальные вариации толщины. Вместе с тем поверхность Плутона разнообразна и демонстрирует явные различия в толщине ледяного покрытия.
Еще одним возможным объяснением могут быть высокие концентрации примесей в воде, что значительно понижает температуру замерзания. Однако для достижения требуемого эффекта необходимы высокие концентрации растворенных газов, таких как аммиак, на уровне массовой доли около 30%, что с одной стороны сильно превышает известные измерения химического состава ядер комет, а с другой — понизит плотность воды, что сделает невозможным объяснение гравитационной аномалии. Растворенные соли также не подходят, так как делают систему неустойчивой и не позволяют описать гравитационные особенности равнины Спутник.
Фрэнсис Ниммо (Francis Nimmo) из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и его японские коллеги предложили новую идею, способную объяснить имеющиеся данные. Согласно ей между жидким океаном и ледяной корой присутствует дополнительный тонкий слой из клатратов (газовых гидратов), то есть соединений воды и газов, причем молекулы газовых включений оказываются заперты в кристаллической решетке льда.
Клатраты на вид могут почти ничем не отличаться от обычного льда, но проводят тепло намного хуже чистого вещества и обладают высокой вязкостью. Это свойство позволяет им одновременно предохранять жидкий океан от замерзания и обеспечивать отсутствие заметных движений вышележащих слоев льда, так как их наличие приводит к резкому скачку температуры при пересечении тонкого слоя. Также эта гипотеза позволяет объяснить высокую концентрацию азота в разреженной атмосфере Плутона и почти полное отсутствие метана, так как азот трудно удержать в составе гидрата, а метан может находиться в такой форме очень долгое время. Вместе с тем для метана также предложены потенциальные источники, так как он может получаться при распаде органических соединений в твердом ядре тела.
Проведенные авторами численные моделирования термической и структурной эволюции Плутона на протяжении 4,6 миллиарда лет показали значительный эффект слоя клатратов: без них океан полностью замерз бы сотни миллионов лет назад, а с ними должен сохраниться практически в неизменном виде до сих пор.
Авторы отмечают, что такой механизм защиты океанов от замерзания может работать не только на Плутоне, но и на других объектах, что важно не только в контексте геофизики небесных тел, но и для астробиологии. Тем не менее ученые считают существование жизни в океане в недрах Плутона маловероятным. «Если вышележащий лед действительно холоден и тверд, то это значительно усложняет попадание веществ с поверхности тела в океан, — поясняет Ниммо. — Исследователи часто считают это условие необходимым для поддержания жизни».
После пролета около Плутона зонд «Новые Горизонты» продолжит движение по окраинам Солнечной системы. Его следующей целью стал объект Ультима Туле, который аппарат миновал 1 января 2019 года. Недавно астрономы подвели первые итоги его исследования. Подробнее об открытиях, сделанных в рамках этой миссии, можно прочитать в материале про Плутон и на специальной странице.