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.

"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