Науковці все більше дізнаються про хімічний склад екзопланет. На Землі ми звикли, що водень в атмосфері зазвичай присутній у вигляді водяної пари. Однак моделювання показують, що на інших світах можливі значно цікавіші комбінації.
Несподівані суміші газів в атмосферах планет
Усі планети складаються з газу, льоду, гірських порід та металу, і моделі формування планет зазвичай припускають, що ці матеріали не вступають у хімічну реакцію один з одним. Але що коли деякі з них реагують?
Планетологи з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Принстонського університету зацікавилися цим питанням і отримали несподівану відповідь: під впливом інтенсивного тепла і тиску новонароджених планет вода і газ реагують одне з одним, створюючи несподівані суміші в атмосферах молодих планет розміром від Землі до Нептуна і «дощові опади» глибоко в атмосферах.
Нещодавні дослідження показують, що найпоширеніший тип планет у нашій галактиці — планети розміром від Землі до Нептуна — зазвичай формуються з водневою атмосферою, що призводить до умов, коли водень і розплавлені надра планети взаємодіють протягом мільйонів і мільярдів років. Взаємодія між атмосферою та надрами має вирішальне значення для розуміння формування та еволюції цих тіл, а також того, що може розташовуватись під цими атмосферами.
Комп’ютерні симуляції
Але температури й тиск настільки екстремальні, що лабораторні експерименти для їхнього вивчення майже неможливі. Дослідники скористалися суперкомп’ютерами Каліфорнійського і Принстонського університетів для проведення симуляцій квантово-механічної молекулярної динаміки, щоб дослідити, як водень і вода — дві найважливіші складові планети — взаємодіють у широкому діапазоні тиску і температури на планетах розміром з Нептун і менших за нього. Результати опубліковані в журналі The Astrophysical Journal Letters.
«Зазвичай ми думаємо, що основи фізики й хімії вже відомі, — каже співавтор дослідження Ларс Стіксруд, професор наук про Землю, планети та космос в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі. — Ми знаємо, коли речі плавляться, коли розчиняються і коли замерзають. Але коли справа доходить до глибоких надр планет, ми просто не знаємо. Немає підручника, де ми могли б про це прочитати, й ми повинні це передбачити».
Дослідники створили симуляції системи, розділеної на водень і воду, з кількома сотнями атомів кожного з них, і розрахували, як вони взаємодіють один з одним на квантовому рівні. Атоми реагували природним чином, як і в лабораторному експерименті за тих самих умов.
Розділення води та водню
Планети можуть бути надзвичайно гарячими, коли вони народжуються або якщо розташовані дуже близько до своїх материнських зір, і ці обчислювальні експерименти показали, що такі планети матимуть атмосферу, що складається з однорідної суміші водню і води. Але з віком планет їхня температура знижується, і водень та вода починають розділятися.
Подальше випадання води може не лише згенерувати неочікувану кількість тепла у глибинах цих світів, а й змінити склад атмосфер та еволюцію цих планет на мільярди років.
«З часом, коли планета охолоджується, в зовнішніх областях атмосфери починають формуватися хмари, оскільки вода конденсується», — сказав перший автор дослідження Акаш Гупта, який проводив дослідження як докторант Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, а зараз є постдокторантом програми 51 Pegasi b і Гаррі Х. Гесса в Принстонському університеті.
«Незабаром після цього вода і водень почнуть розділятися глибоко в атмосфері — ключова подія, враховуючи, що більшість запасів водню і води на планеті містяться в цих глибинах. Це призведе до «дощу» глибоко в атмосфері планети, коли важча вода опускатиметься, а легший водень підніматиметься, в результаті чого утвориться зовнішня оболонка, багата на водень, і внутрішня, багата на воду».
Це відкриття також може допомогти розгадати загадку, чому Уран випромінює набагато менше тепла, ніж Нептун, хоча ці планети дуже схожі за розміром.
Змішані атмосфери екзопланет
Робота має значення для планет за межами Сонячної системи, таких як K2-18 b і TOI-270 d, які вважаються потенційно придатними для життя світами з водневою атмосферою, що покриває водний океан. Однак внутрішні температури таких екзопланет, якщо вони досить високі, можуть повністю лежати в режимі, коли водень і вода не можуть розділитися, і вони будуть складатися з єдиної гомогенної воднево-водяної рідини.
«Якщо вода і водень справді значною мірою змішані в надрах планети, структура і теплова еволюція екзопланет, подібних до Землі й Нептуна, можуть суттєво відрізнятися від стандартних моделей, які зазвичай використовуються в цій галузі, — говорить Хільке Шліхтінг, співавтор дослідження і професор наук про Землю, планети і космос в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі. — З іншого боку, холодніші планети можуть мати окремий шар, збагачений водою, можливо, у рідкому стані».
Таким чином, дослідження надає фізичну основу для звуження пошуку планетних систем у нашій Галактиці, в яких багаті на воду екзопланети могли б мати водні океани або атмосфери, в яких водень і вода повністю змішані, а також розкриває, що, можливо, керує цією біфуркацією.
За матеріалами phys.org
