Атмосфери нових планет можуть мати несподівані суміші водню та води

Усі планети складаються з газу, льоду, каміння та металу, і моделі їхнього формування зазвичай припускають, що ці матеріали не взаємодіють хімічно між собою. Але що, якщо деякі з них все ж таки реагують?

Планетологи з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA) та Прінстонського університету поставили це питання й отримали несподівану відповідь: під впливом високих температур і тиску на новонароджених планетах вода та газ вступають у хімічну реакцію, утворюючи несподівані суміші в атмосфері молодих планет розміром від Землі до Нептуна, а також викликаючи своєрідні «опади» глибоко всередині їхніх атмосфер.

Останні дослідження показують, що найпоширеніший тип планет у нашій галактиці — ті, що за розміром знаходяться між Землею та Нептуном, — зазвичай утворюються з водневою атмосферою. Це створює умови для тривалого взаємодії водню з розплавленим внутрішнім шаром планети протягом мільйонів або навіть мільярдів років. Взаємодія між атмосферою і надрами таких планет є ключем до розуміння їхнього формування, еволюції та того, що може ховатися під їхніми атмосферами.

Однак температури та тиски, що беруть участь у цьому процесі, настільки екстремальні, що проведення лабораторних експериментів майже неможливе. Тому дослідники використали суперкомп’ютери UCLA і Прінстона для проведення квантово-механічного молекулярно-динамічного моделювання, щоб дослідити взаємодію водню та води — двох найважливіших складових планет — у широкому діапазоні тисків і температур на планетах розміром від Нептуна до менших за нього. Результати дослідження опубліковані в журналі The Astrophysical Journal Letters.

«Ми зазвичай думаємо, що основи фізики та хімії вже добре відомі», — зазначив співавтор дослідження Ларс Стікруд, професор кафедри наук про Землю, планет і космос в UCLA. «Ми знаємо, коли речовини плавляться, розчиняються чи замерзають. Але коли йдеться про глибини планет, ми просто не знаємо. У підручниках цього не знайти, і нам доводиться робити прогнози».

Дослідники змоделювали систему, поділену на водень і воду, і розрахували, як атоми взаємодіють між собою на квантовому рівні. Високі температури на молодих планетах або тих, що обертаються близько до своїх зірок, сприяють утворенню однорідної атмосфери з водню та води. Але з часом, у міру охолодження планети, ці речовини починають розділятися.

Таке «вимивання» води може не лише створювати несподівані джерела тепла глибоко всередині цих світів, але й впливати на склад атмосфер і еволюцію планет протягом мільярдів років.

«Коли планета остигає, у верхніх шарах атмосфери починають формуватися хмари, оскільки вода конденсується», — пояснив перший автор дослідження Акаш Гупта, який проводив дослідження як докторант UCLA, а нині є стипендіатом 51 Pegasi b та Гаррі Г. Хесса в Прінстонському університеті.

«Невдовзі після цього вода і водень починають розділятися в глибших шарах атмосфери. Це важлива подія, оскільки більша частина запасів водню та води на планеті знаходиться саме там. Це призводить до своєрідного ‘дощу’ всередині атмосфери: важча вода опускається вниз, а легший водень піднімається вгору, формуючи зовнішню воднево-багату оболонку і внутрішній водяний шар».

Це відкриття може також пояснити, чому Уран випромінює набагато менше тепла, ніж Нептун, хоча обидві планети подібні за розмірами.

«Ймовірно, на Нептуні вимивання води відбулося в більшому масштабі, ніж на Урані, що й призвело до утворення більшого внутрішнього тепла на Нептуні», — зазначив Гупта.

Це дослідження також має значення для екзопланет, таких як K2-18 b і TOI-270 d, які вважаються потенційно придатними для життя світами з водневою атмосферою над водним океаном. Якщо внутрішні температури цих планет досить високі, водень і вода можуть бути повністю змішані, утворюючи однорідну рідину без окремого водного шару.

«Якщо водень і вода справді значною мірою змішуються всередині планет, структура і термічна еволюція екзопланет, подібних до Землі та Нептуна, можуть сильно відрізнятися від стандартних моделей, які ми використовуємо сьогодні», — сказала співавторка дослідження Гільке Шліхтінг, професорка кафедри наук про Землю, планети та космос в UCLA.

«З іншого боку, на холодніших планетах може існувати окремий водний шар, можливо, навіть у рідкому стані».

Таким чином, це дослідження пропонує фізично обґрунтовану основу для пошуку в нашій галактиці планетних систем, у яких можуть існувати водні океани або атмосфери, де водень і вода повністю змішані.