Гидротермальная активность объяснила природу метана на карликовых планетах Эриде и Макемаке

Планетологи обнаружили потенциальные свидетельства текущей или имевшей место в прошлом гидротермальной или метаморфической активности в недрах карликовых планет Эрида и Макемаке из Пояса Койпера. Они могли обладать подповерхностными водными океанами, потенциально выступавшим источниками метана. На это указывают измеренные соотношения D/H для метанового льда на поверхности планет. Статья опубликована в журнале Icarus.

Карликовые планеты Эрида и Макемаке представляют собой крупнейшие транснептуновые объекты — Эрида по размерам почти сравнима с Плутоном, а Макемаке больше спутника Плутона Харона. Эти тела обладают спутниками, большой объемной плотностью (1700–2400 килограммов на кубический метр), которая находится между типичными значениями для воды и горных пород.

На поверхности планет находятся льды (в основном, метановый, водяного льда обнаружено не было), которые могут помочь узнать больше о сложной геологической эволюции этих тел. В частности, недавно планеты стали целями наблюдений инфракрасного телескопа «Джеймса Уэбба», который нашел в их поверхностном слое дейтерированный метан (CH₃D) и оценил соотношение D/H в метане. Эти результаты важны для наложения ограничений на модели генерации метана на крупных транснептуновых объектах, а отношение D/H уже использовалось в таком контексте при исследованиях метана на спутнике Сатурна Титане.

Группа планетологов во главе с Кристофером Гляйном (Christopher Glein) из Юго-Западного исследовательского института решила разобраться в механизме генерации метана на Эриде и Макемаке, который подходил бы под данные наблюдений. Они рассмотрели три идеи: первичный, абиотический или термогенный метан, идею о биологическом происхождении метана ученые не стали принимать во внимание, так как жизненные формы являются гипотезой последней надежды, когда необиологические гипотезы исчерпаны.

Первичный метан присутствовал в виде льдов в протосолнечном диске или межзвездной среде, откуда попал в состав Эриды и Макемаке при аккреции, или же он мог быть занесен на карликовые планеты кометами. В дальнейшем метан мог содержаться в недрах тел в виде клатратов, которые были бы доминирующим источником его выделения. Абиотический метан рождается в результате реакций между водой и горными породами, если предполагать, что Эрида и Макемаке имели (или имеют) внутренние водные резервуары, источником углерода могут быть молекулы CO2 или CO из протосолнечного диска. Термогенный метан образуется в результате разложения органических веществ из-за нагрева пород, при этом углерод поступает из органических соединений, а атомы водорода могут также поступать из гидратированных минералов, таких как слоистые силикаты. Первичный метан будет характеризоваться самыми большими значениями D/H, абиотический метан — самыми малыми, а термогенный метан занимает промежуточное положение.

Идея первичного метана не подошла под данные наблюдений, возможно Эрис и Макемаке либо не получили больших запасов метана при формировании, либо эти запасы исчезли и были заменены метаном другой природы. Однако ученые не исключают сложные сценарии, например, если метан обладает смешанной природой. Например, для Макемаке могла бы иметь место смесь абиотического метана с первичным метаном, где содержание последнего доходило бы до 56 процентов.

Для генерации абиотического или термогенного метана, больше подходящих под данные наблюдений, требуются температуры выше 150 градусов по Цельсию, в частности для абиотического метана температурный диапазон составляет 200–400 градусов Цельсия. Кроме того, Эрида и Макемаке должны иметь каменные ядра с низкой плотностью, содержащие силикаты и захваченные летучие вещества. Тепло будет поступать за счет распада радиоактивных изотопов и позволит произойти дифференциации недр, дополнительными источниками тепла могут быть серпентинизация и приливная диссипация, а за счет больших размеров планет их ядра могли дольше остывать. В частности, если предположить схожий состав горных пород у Плутона и Эриды, то недра последней могли быть теплее, а ядро могло обладать температурой вплоть до тысячи градусов. В этом случае, при наличии внутреннего океана создаются благоприятные условия для поддержания гидротермальных и метаморфических процессов в глубоких недрах Эриды.

Что касается временных ограничений на модели, то в случае Макемаке абиотический метан наиболее вероятно генерировался в ранний период эволюции тела, около 2-4 миллиарда лет назад. Термогенный метан таких ограничений не имеет и мог образоваться в любой момент или рождаться с низкой скоростью непрерывно, начиная от отметки в четыре миллиарда лет назад. Пик производства метана внутри Эриды мог иметь место два миллиарда лет назад, однако не исключается возможность продолжающейся до сих пор генерации метана, если ядро еще полностью не остыло.

Ранее мы рассказывали о том, как станция New Horizons заметила на Плутоне огромный потенциальный криовулкан.