Дослідники з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Прінстонського університету відкрили, що хімічна взаємодія води та водню в умовах екстремальних температур і тиску суттєво впливає на атмосферний склад та еволюцію планет розміром від Землі до Нептуна.
Традиційні моделі формування планет припускають, що основні будівельні блоки – газ, лід, гірські породи та метали – не вступають у хімічні реакції між собою. Нове дослідження спростовує це припущення і демонструє несподівані наслідки для еволюції планет. Результати, опубліковані в журналі The Astrophysical Journal Letters, показують, що водень і вода взаємодіють по-різному залежно від температури та тиску, створюючи унікальні структури в атмосферах молодих планет.
Оскільки експериментальне вивчення таких екстремальних умов у лабораторії майже неможливе, дослідники використали суперкомп’ютери для проведення квантово-механічного моделювання молекулярної динаміки. Вони змоделювали поведінку сотень атомів водню та води в широкому діапазоні температур і тисків, характерних для планет розміром з Нептун та менших.
Професор Ларс Стіксруд, співавтор дослідження, підкреслює унікальність цього дослідження:
“Зазвичай ми думаємо, що основи фізики і хімії вже відомі. Ми знаємо, коли речі плавляться, коли розчиняються і коли замерзають. Але коли справа доходить до глибоких нутрощів планет, ми просто не знаємо”.
Еволюційні етапи планетної атмосфери
Симуляції виявили, що молоді гарячі планети мають атмосферу, що складається з однорідної суміші водню і води. Це відбувається, коли планети щойно сформувалися або знаходяться дуже близько до своїх зірок. З часом, коли планети охолоджуються, починається процес розділення цих елементів.
Акаш Гупта, перший автор дослідження, детально описує цей процес: “З часом, коли планета охолоджується, в зовнішніх областях атмосфери починають формуватися хмари, оскільки вода конденсується”. Далі відбувається ключова подія – вода і водень починають розділятися в глибоких шарах атмосфери.
Це розділення спричиняє своєрідний “дощ” глибоко в атмосфері планети. Важча вода опускається вниз, а легший водень піднімається вгору. Такий процес призводить до формування зовнішньої оболонки, збагаченої воднем, та внутрішньої, збагаченої водою.
Відкриття може пояснити давню загадку нашої Сонячної системи – чому Уран випромінює значно менше тепла, ніж Нептун, хоча ці планети дуже схожі за розміром.
“Випадання води, можливо, досі відбувалося більшою мірою на Нептуні, ніж на Урані, що призводило до утворення більшої кількості внутрішнього тепла на Нептуні”, – пояснює Гупта.
Наслідки для пошуку життєпридатних екзопланет
Дослідження має важливе значення для розуміння екзопланет, таких як K2-18 b і TOI-270 d, які вважаються потенційно придатними для життя світами. Ці планети, ймовірно, мають водневу атмосферу, що покриває водний океан. Однак їхня внутрішня структура може радикально відрізнятися від припущень традиційних моделей.
Залежно від внутрішньої температури, екзопланети можуть мати різну структуру: від повністю змішаної воднево-водяної рідини до чітко розділених шарів. Професор Хільке Шліхтінг зазначає:
“Якщо вода і водень дійсно значною мірою змішані в надрах планети, структура і теплова еволюція екзопланет, подібних до Землі і Нептуна, можуть суттєво відрізнятися від стандартних моделей”.
Холодніші планети, з іншого боку, можуть мати окремий шар, збагачений водою, можливо, у рідкому стані. Це відкриває нові можливості для пошуку потенційно життєпридатних світів з водними океанами.
Результати дослідження надають науковцям фізичну основу для звуження пошуку планетних систем у нашій галактиці. Вони допомагають визначити, які екзопланети можуть мати водні океани або атмосфери зі змішаними воднем і водою, а також розкривають механізми, що керують цим розділенням.
#Планети #воднем #водою #утворюють #новий #тип #атмосфери
Source link
