Атмосфери нових планет можуть мати несподівані суміші водню та води

Як показало дослідження, в атмосферах молодих планет розміром від Землі до Нептуна вода й газ реагують між чобою під впливом інтенсивного тепла та тиску.

Про це розповідають в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі (UCLA), передають OstanniPodii.com.

Усі планети складаються з газу, льоду, каменю та металу, і моделі формування планет зазвичай припускають, що ці матеріали не вступають у хімічну реакцію один з одним. Але що, якщо деякі з них реагують між собою? Планетологи з UCLA та Прінстонського університету задалися цим питанням та отримали несподівану відповідь: під впливом інтенсивного тепла й тиску новонароджених планет вода й газ реагують один з одним, створюючи несподівані суміші в атмосферах молодих планет розміром від Землі до Нептуна та "дощові опади" глибоко в їхніх 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 й надрами має вирішальне значення для розуміння формування та еволюції цих тіл, а також того, що може знаходитись під цими атмосферами.

Але температури й тиски, що виникають при цьому, настільки екстремальні, що лабораторні експерименти для їх вивчення майже неможливі. Дослідники скористалися суперкомп′ютерами UCLA та Прінстона для проведення квантово-механічного моделювання молекулярної динаміки, щоб дослідити, як водень і вода -- дві найважливіші планетарні складові -- взаємодіють у широкому діапазоні тиску й температури на планетах розміром з Нептун і менших.

"Зазвичай ми думаємо, що основи фізики та хімії вже відомі", - каже співавтор дослідження Ларс Стіксруд, професор наук про Землю, планети й космос в UCLA. "Ми знаємо, коли речі плавляться, коли розчиняються й коли замерзають. Але коли справа доходить до глибоких нутрощів планет, ми просто не знаємо. Немає жодного підручника, де ми могли б про це дізнатися, і ми повинні їх 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.

Планети можуть бути надзвичайно гарячими, коли вони народжуються або якщо вони знаходяться дуже близько до своїх батьківських зірок, і ці обчислювальні експерименти показали, що такі планети матимуть атмосферу, що складається з однорідної суміші водню й води. Але з віком температура планет знижується, і водень і вода починають розділятися. Подальше випадання води може не лише згенерувати неочікувану кількість тепла в глибинах цих світів, але й змінити склад атмосфери та еволюцію цих планет на мільярди років.

"З часом, коли планета охолоджується, в зовнішніх областях атмосфери починають формуватися хмари, оскільки вода конденсується", - говорить перший автор Акаш Гупта, який проводив дослідження як докторант UCLA, а зараз є постдокторат в Прінстонському університеті. "Незабаром після цього вода й водень почнуть розділятися глибоко в атмосфері -- ключова подія, враховуючи, що більшість запасів водню й води на планеті знаходяться в цих глибинах. Це призвело б до "дощу" глибоко в атмосфері планети, коли важча вода опускалася б, а легший водень піднімався б, в результаті чого утворилася б зовнішня оболонка, багата на водень, і внутрішня, багата на воду".

Це відкриття також може допомогти вирішити загадку, чому Уран випромінює набагато менше тепла, ніж Нептун, хоча ці планети дуже схожі за розміром.

"Випадання води могло відбуватися більшою мірою на Нептуні, ніж на Урані, що призводило до утворення більшої кількості внутрішнього тепла на Нептуні", - каже Гупта. "Це може пояснити, чому Уран демонструє значно менший тепловий потік порівняно з Нептуном".

Робота має значення для планет за межами нашої 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 й водень дійсно значною мірою змішані в надрах планети, структура й теплова еволюція екзопланет, подібних до Землі та Нептуна, можуть суттєво відрізнятися від стандартних моделей, які зазвичай використовуються в цій галузі", - сказав Хільке Шліхтінг, співавтор дослідження та професор наук про Землю, планети й космос в UCLA.

"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, дало б змогу створити нові планети.

Результати дослідження були опубліковані в The Astrophysical Journal Letters.

• Екзопланети