Впечатление этого художника показывает планету K2-18B, ее принимающую звезду и сопровождающую планету в этой системе. Кредит: ESA/Hubble, M. Kornmesser
Все планеты изготовлены из газа, льда, скалы и металла и моделей того, как образуются планеты, обычно предполагают, что эти материалы не реагируют химически друг с другом. Но что, если некоторые из них делают?
Ученые UCLA и Princeton Planetary задали этот вопрос и получили удивительный ответ: под интенсивным тепло и давлением новорожденных планет, вода и газ реагируют друг с другом, создавая невыраженные смеси в атмосферах молодых планет размером с земли и нептунного размера и «дождя» глубоко внутри атмосферы.
Недавние исследования показывают, что наиболее распространенный тип планет в нашей галактике, между размерами Земли и Нептуна, обычно образуются с водородной атмосферой, что приводит к условиям, когда водород и расплавленный внутренний интерьер планеты взаимодействуют в течение миллионов до миллиардов лет. Таким образом, взаимодействие между атмосферой и внутренней частью имеет решающее значение для понимания образования и эволюции этих тел и того, что может быть под этими атмосферами.
Но температура и давление настолько экстремальны, что лабораторные эксперименты для их изучения практически невозможно. Исследователи воспользовались UCLA и суперкомпьютерами Princeton для проведения квантовых механических молекулярных динамических симуляций, чтобы исследовать, как водород и вода-два из наиболее важных планетарных компонентов-взаимодействуют в широком диапазоне давления и температуры на планетах размером с нептун. Результаты опубликованы в астрофизических журнальных буквах.
«Обычно мы думаем об основной физике и химии, как уже известны»,-сказал соавтор исследования Ларс Стилсруде, профессор UCLA Earth, планетарные и космические науки. «Мы знаем, когда дела будут таять, и когда они собираются раствориться, и когда они собираются замерзнуть. Но когда дело доходит до глубоких внутренних слоев, мы просто не знаем. Нет учебника, где мы можем посмотреть эти вещи, и мы должны их предсказать».
Исследователи установили моделирование системы, разделенной на водород и воду, с несколькими сотнями атомов каждого и рассчитывали, как они взаимодействуют друг с другом на квантовом уровне. Атомы реагировали естественным образом, как и в лабораторном эксперименте в тех же условиях.
Планеты могут быть чрезвычайно горячими, когда они родились или если они очень близки к своим родительским звездам, и эти вычислительные эксперименты показали, что такие планеты будут иметь атмосферу, состоящую из гомогенной смеси водорода и воды. Но с возрастом планеты их температура снижается, а водород и вода начинают отделяться.
Последующий дождь воды может не только генерировать неожиданное количество тепла глубоко внутри этих миров, но и изменить состав атмосфер и эволюцию этих планет на миллиарды лет.
«Со временем, когда планета охлаждается, во внешних регионах атмосферы, облака начинают формироваться по мере того, как вода конденсируется», — сказал первый автор Акаш Гупта, который проводил исследование в качестве докторского студента UCLA и в настоящее время является постдоктором Pegasi B и Гарри Хессом в Принстонском университете.
«Вскоре после этого вода и водород начнут расстаться в глубокости в атмосфере-ключевое событие, учитывая, что большинство запасов водорода и воды планеты лежат в этих глубинах. Затем это приведет к глубокому в атмосфере планеты в качестве более тяжелого водяного раковины, в то время как более легкий гидроген, что привело бы к воротному, гидросодистному обогащению, и в сети.
Откройте для себя последние в науке, технологии и пространстве с более чем 100 000 подписчиков, которые полагаются на Phys.org для Daily Insights. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получите обновления о прорывах, инновациях и исследованиях, которые имеют значение — ежедневно или еженедельно.
Открытие также может помочь решить загадку того, почему Уран излучает гораздо меньше тепла, чем Нептун, хотя эти планеты очень похожи по размеру.
«Досаку воды, возможно, до сих пор произошло в Нептуне, чем в Уране, что приводит к большему внутреннему теплу в Нептуне», — сказал Гупта. «Это может объяснить, почему Уран демонстрирует значительно более низкий 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, как утверждается, являются потенциально обитаемыми мирами с водородной атмосферой, превышающей водный океан. Тем не менее, внутренние температуры таких экзопланетов, если они достаточно высоки, могут полностью лежать в режиме, где водород и вода не могут отделиться, так что они будут состоять из одной гомогенной жидкости водородной воды.
«Если вода и водород действительно существенно смешаны по всей внутренней части планеты, структура и тепловая эволюция экзопланетов, похожих на Землю и Нептун, могут существенно отличаться от стандартных моделей, обычно используемых в этой области»,-сказал Хильке Шлихинг, соавтор исследования и UCLA Земля, Планета и Профессор Space Sciences.
«С другой стороны, планеты, которые холоднее, могут иметь отдельный слой, обогащенный водой, возможно, в жидкой форме».
Таким образом, исследование далее предоставляет основу для физики, чтобы сузить поиск планетарных систем в нашей галактике, в которой богатые водой экзопланеты могут иметь водяные океаны или если у них могут быть атмосферы, где водород и вода полностью смешаны, и раскрывает то, что, возможно, управляет этой бифуркацией.
Информация от: Университетом Калифорнийского университета, Лос -Анджелес
