|
Экзопланеты содержат неожиданные смеси водорода и воды
|
|
|
|
Все планеты состоят из газа, льда, камня и металла, и модели формирования планет обычно предполагают, что эти материалы не вступают в химическую реакцию друг с другом. Но что, если некоторые из них вступают в реакцию?
|
|
|
|
Планетологи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Принстона задались этим вопросом и получили неожиданный ответ: под воздействием высокой температуры и давления на новорожденных планетах вода и газ вступают в реакцию друг с другом, создавая неожиданные смеси в атмосферах молодых планет размером от Земли до Нептуна и "дождевые осадки" глубоко в атмосферах.
|
|
|
|
Недавние исследования показывают, что наиболее распространенные типы планет в нашей галактике, размером от Земли до Нептуна, обычно формируются с водородной атмосферой, что приводит к условиям, при которых водород и расплавленные недра планеты взаимодействуют в течение миллионов-миллиардов лет. Таким образом, взаимодействие между атмосферой и недрами имеет решающее значение для понимания формирования и эволюции этих тел и того, что может находиться под этими слоями атмосферы.
|
|
|
|
Но связанные с этим температуры и давления настолько экстремальны, что лабораторные эксперименты по их изучению практически невозможны. Исследователи воспользовались суперкомпьютерами Калифорнийского университета в Лос—Анджелесе и Принстона для проведения квантово—механического моделирования молекулярной динамики, чтобы исследовать, как водород и вода - два наиболее важных планетарных компонента - взаимодействуют в широком диапазоне давлений и температур на планетах размером с Нептун и меньше. Результаты исследования опубликованы в журнале Astrophysical Journal Letters.
|
|
|
|
|
|
|
"Мы обычно думаем, что основы физики и химии уже известны", - сказал соавтор исследования Ларс Стиксруд, профессор наук о Земле, планетах и космосе Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Мы знаем, когда что-то начнет таять, когда оно растворится, а когда замерзнет. Но когда дело доходит до глубоких недр планет, мы просто не знаем. Нет такого учебника, в котором мы могли бы разобраться в этих вещах, и мы должны их предсказать".
|
|
|
|
Исследователи провели моделирование системы, разделенной на водород и воду, с несколькими сотнями атомов в каждой, и рассчитали, как они взаимодействуют друг с другом на квантовом уровне. Атомы реагировали естественным образом, как в лабораторном эксперименте при тех же условиях.
|
|
|
|
Планеты могут быть чрезвычайно горячими при рождении или если они находятся очень близко к своим родительским звездам, и эти вычислительные эксперименты показали, что атмосфера таких планет должна состоять из однородной смеси водорода и воды. Но по мере старения планет их температура снижается, и водород и вода начинают разделяться.
|
|
|
|
Последующий выброс воды может не только привести к неожиданному выделению тепла глубоко внутри этих миров, но и изменить состав атмосфер и эволюцию этих планет на миллиарды лет.
|
|
|
|
"Со временем, по мере остывания планеты, во внешних слоях атмосферы начинают образовываться облака, поскольку вода конденсируется", - сказал первый автор исследования Акаш Гупта, который проводил исследование в качестве докторанта Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и в настоящее время является научным сотрудником 51 Pegasi b и Гарри Хесса в Принстонском университете.
|
|
|
|
"Вскоре после этого вода и водород начнут разделяться глубоко в атмосфере — ключевое событие, учитывая, что большая часть запасов водорода и воды на планете находится в этих глубинах. Затем это привело бы к "выпадению осадков" глубоко в атмосфере планеты, поскольку более тяжелая вода оседает, а более легкий водород поднимается, в результате чего образуется внешняя оболочка, богатая водородом, и внутренняя, богатая водой".
|
|
|
|
Это открытие также может помочь разгадать тайну того, почему Уран выделяет гораздо меньше тепла, чем Нептун, хотя эти планеты очень похожи по размерам.
|
|
|
|
"Возможно, на Нептуне выпадение воды происходило в большей степени, чем на Уране, что приводит к выделению большего количества внутреннего тепла внутри Нептуна", - сказал Гупта. "Это может объяснить, почему Уран демонстрирует значительно меньший тепловой поток по сравнению с Нептуном".
|
|
|
|
Эта работа имеет значение для планет за пределами нашей Солнечной системы, таких как K2-18b и TOI-270d, которые, как утверждается, являются потенциально обитаемыми мирами с водородной атмосферой, покрывающей водный океан. Однако внутренние температуры таких экзопланет, если они достаточно высоки, могут полностью соответствовать режиму, при котором водород и вода не могут разделяться, так что они будут состоять из единой однородной водородно-водной жидкости.
|
|
|
|
"Если вода и водород действительно существенно перемешаны в недрах планеты, структура и тепловая эволюция экзопланет, подобных Земле и Нептуну, могут существенно отличаться от стандартных моделей, обычно используемых в полевых условиях", - сказал Хильке Шлихтинг, соавтор исследования из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. профессор.
|
|
|
|
"С другой стороны, на более холодных планетах может быть отдельный слой, обогащенный водой, возможно, в жидкой форме".
|
|
|
|
Таким образом, исследование, основанное на физике, позволяет сузить поиск планетных систем в нашей галактике, в которых богатые водой экзопланеты могут иметь водные океаны или атмосферу, в которой водород и вода полностью смешаны, и раскрывает, что, возможно, управляет этой бифуркацией.
|
|
|
|
Источник
|
