Ученые все больше узнают о химическом составе экзопланет. На Земле мы привыкли, что водород в атмосфере обычно присутствует в виде водяного пара. Однако моделирования показывают, что на других мирах возможны значительно более интересные комбинации.
Неожиданные смеси газов в атмосферах планет
Все планеты состоят из газа, льда, горных пород 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 реагируют?
Планетологи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Принстонского университета задались этим вопросом и получили неожиданный ответ: Под воздействием интенсивного тепла и давления новорожденных планет вода и газ реагируют 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 самый распространенный тип планет в нашей Галактике — планеты размером от Земли до Нептуна — обычно формируются с водородной атмосферой, что приводит к условиям, когда водород и расплавленные недра планеты взаимодействуют в течение миллионов и миллиардов лет. Взаимодействие между атмосферой и недрами имеет решающее значение для понимания формирования и эволюции этих тел, а также того, что может находиться под этими атмосферами.
Компьютерные симуляции
Но температуры и давление настолько экстремальны, что лабораторные эксперименты для их изучения почти невозможны. Исследователи воспользовались суперкомпьютерами Калифорнийского и Принстонского университетов для проведения симуляций квантово-механической молекулярной динамики, чтобы исследовать, как водород и вода – две важнейшие составляющие планеты — взаимодействуют в широком диапазоне давления и температуры на планетах размером с Нептун и меньше него. Результаты опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
«Обычно мы думаем, что основы физики и химии уже известны, — говорит соавтор исследования Ларс Стиксруд, профессор наук о Земле, планетах и космосе в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. — Мы знаем, когда вещи плавятся, когда растворяются и когда замерзают. Но когда дело доходит до глубоких внутренностей планет, мы просто не знаем. Не существует учебника, где мы могли бы об этом прочитать, и мы должны это предсказать».
Исследователи создали симуляции системы, разделенной на водород и воду, с несколькими сотнями атомов каждого из них, и рассчитали, как они взаимодействуют друг с другом на квантовом уровне. Атомы реагировали естественным образом, как и в лабораторном эксперименте при тех же условиях.
Разделение воды и водорода
Планеты могут быть чрезвычайно горячими, когда они рождаются или если находятся очень близко к своим материнским звездам, и эти вычислительные эксперименты показали, что такие планеты будут иметь атмосферу, состоящую из однородной смеси водорода и воды. Но с возрастом планет их температура снижается, водород и вода начинают разделяться.
Дальнейшее выпадение воды может не только сгенерировать неожиданное количество тепла в глубинах этих миров, но и изменить состав атмосфер и эволюцию этих планет на миллиарды лет.
«Со временем, когда планета охлаждается, во внешних областях атмосферы начинают формироваться облака, поскольку вода конденсируется», — сказал первый автор исследования Акаш Гупта, который проводил исследования как докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а сейчас является постдокторантом программы 51 Pegasi b и Гарри Х. Гесса в Принстонском университете.
«Вскоре после этого вода и водород начнут разделяться глубоко в атмосфере — ключевое событие, учитывая, что большинство запасов водорода и воды на планете находятся в этих глубинах. Это приведет к «дождю» глубоко в атмосфере планеты, когда более тяжелая вода будет опускаться, а более легкий водород будет подниматься, в результате чего образуется внешняя оболочка, богатая водородом, и внутренняя, богатая водой».
Это открытие также может помочь решить загадку, почему Уран излучает гораздо меньше тепла, чем Нептун, хотя эти планеты очень похожи по размеру.
Смешанные атмосферы экзопланет
Работа имеет значение для планет за пределами нашей Солнечной системы, таких как K2-18 b и TOI-270 d, которые считаются потенциально пригодными для жизни мирами с водородной атмосферой, покрывающей водный океан. Однако внутренние температуры таких экзопланет, если они достаточно высоки, могут полностью лежать в режиме, когда водород и вода не могут разделиться, и они будут состоять из единой гомогенной водородно-водяной жидкости.
«Если вода и водород действительно в значительной степени смешаны в недрах планеты, структура и тепловая эволюция экзопланет, подобных Земле и Нептуну, могут существенно отличаться от стандартных моделей, которые обычно используются в этой области, — говорит Хильке Шлихтинг, соавтор исследования и профессор наук о Земле, планетах и космосе в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. — С другой стороны, более холодные планеты могут иметь отдельный слой, обогащенный водой, возможно, в жидком состоянии».
Таким образом, исследование предоставляет физическую основу для сужения поиска планетных систем в нашей Галактике, в которых богатые водой экзопланеты могли бы иметь водные океаны или атмосферы, в которых водород и вода полностью смешаны, а также раскрывает, что, возможно, управляет этой бифуркацией.
По материалам phys.org
