Атмосферы новых планет могут иметь неожиданные смеси водорода и воды

Как показало исследование, в атмосферах молодых планет размером от Земли до Нептуна вода и газ реагируют между собой под воздействием интенсивного тепла и давления.

Об этом рассказывают в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA), передают OstanniPodii.com.

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 реагируют между собой? Планетологи из UCLA 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 их 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.

Но температуры и давления, возникающие при этом, настолько экстремальны, что лабораторные эксперименты для их изучения почти невозможны. Исследователи воспользовались суперкомпьютерами UCLA и Принстона для проведения квантово-механического моделирования молекулярной динамики, чтобы исследовать, как водород и вода -- две важнейшие планетарные составляющие -- взаимодействуют в широком диапазоне давления и температуры на планетах размером с Нептун и меньше.

"Обычно мы думаем, что основы физики и химии уже известны", - говорит соавтор исследования Ларс Стиксруд, профессор наук о Земле, планетах и космосе в UCLA. "Мы знаем, когда вещи плавятся, когда растворяются и когда замерзают. Но когда дело доходит до глубоких внутренностей планет, мы просто не знаем. Нет ни одного учебника, где мы могли бы об этом узнать, и мы должны их 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.

Планеты могут быть чрезвычайно горячими, когда они рождаются или если они находятся очень близко к своим родительским звездам, и эти вычислительные эксперименты показали, что такие планеты будут иметь атмосферу, состоящую из однородной смеси водорода и воды. Но с возрастом температура планет снижается, и водород и вода начинают разделяться. Дальнейшее выпадение воды может не только сгенерировать неожиданное количество тепла в глубинах этих миров, но и изменить состав атмосферы и эволюцию этих планет на миллиарды лет.

Новости по подобной теме:

		Гигантские одиночные планеты могут образовывать собственные планетные системы
		За 35 световых лет обнаружена потенциально пригодная для жизни планета
		Астрономы обнаружили планетную карусель

"Со временем, когда планета охлаждается, во внешних областях атмосферы начинают формироваться облака, поскольку вода конденсируется", - говорит первый автор Акаш Гупта, который проводил исследование как докторант UCLA, а сейчас является постдокторатом 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 привело бы к "дождю" глубоко в атмосфере планеты, когда более тяжелая вода опускалась бы, а более легкий водород поднимался бы, в результате чего образовалась бы 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.

"Выпадение воды могло происходить в большей степени на Нептуне, чем на Уране, что приводило к образованию большего количества внутреннего тепла на Нептуне", - говорит Гупта. "Это может объяснить, почему Уран демонстрирует значительно меньший тепловой поток по сравнению с Нептуном".

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", - сказал Хильке Шлихтинг, соавтор исследования и профессор наук о Земле, планетах и космосе в UCLA.

"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, позволило бы создать новые планеты.

Результаты исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.

• Экзопланеты