На экзопланетах могут присутствовать неожиданные смеси водорода и воды
Вода и газ реагируют под воздействием высокой температуры и давления в атмосферах молодых планет размером от Земли до Нептуна.
Группа ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и Принстонского университета провела новаторское исследование, посвященное химическим реакциям между водородом и водой в условиях экстремальных температур и давлений, характерных для недр молодых планет. Результаты работы, опубликованные в The Astrophysical Journal Letters, бросают вызов традиционным представлениям о формировании и эволюции планет, особенно тех, что находятся в диапазоне размеров между Землей и Нептуном.
Традиционные модели планетообразования предполагают, что основные компоненты планет — газ (водород), лед (вода), камень и металл — не вступают в химические реакции друг с другом. Однако новое исследование показывает, что в условиях высоких температур и давлений, характерных для молодых планет, водород и вода могут активно взаимодействовать, образуя неожиданные смеси.
Ученые использовали квантово-механическое молекулярно-динамическое моделирование на суперкомпьютерах, чтобы изучить поведение сотен атомов водорода и воды в условиях, имитирующих глубинные слои экзопланет. Оказалось, что на ранних этапах эволюции планеты, когда ее недра еще раскалены, водород и вода образуют однородную смесь. Однако по мере остывания планеты эти компоненты начинают разделяться, что приводит к формированию слоистой структуры: легкий водород поднимается в верхние слои атмосферы, а более тяжелая вода конденсируется и «выпадает в осадок» в виде своеобразного «ливня» в глубинных слоях.
Этот процесс имеет несколько важных следствий. Во-первых, выпадение воды в недрах планеты может генерировать дополнительное тепло, влияя на ее тепловую эволюцию. Во-вторых, разделение водорода и воды может объяснить различия в тепловом излучении Урана и Нептуна. Если на Нептуне этот процесс происходит активнее, это может быть причиной его более высокой тепловой активности по сравнению с Ураном.
Кроме того, исследование ставит под сомнение гипотезы о потенциальной обитаемости некоторых экзопланет, таких как K2-18 b и TOI-270 d, которые считаются возможными кандидатами на наличие водных океанов под водородной атмосферой. Если температура в их недрах слишком высока, водород и вода могут оставаться полностью перемешанными, исключая возможность формирования четко выраженного водного слоя. Напротив, в более холодных планетах может формироваться отдельный водный океан или обогащенный водой слой.
Значение для будущих исследований
Работа предоставляет новую теоретическую основу для понимания формирования и эволюции экзопланет, особенно тех, что относятся к категории «суперземель» и «мини-нептунов». Она также подчеркивает важность учета взаимодействия между атмосферой и недрами планет, что ранее часто игнорировалось в стандартных моделях.
Финансирование исследования осуществлялось NASA, Национальным научным фондом, Фондом Хейзинга-Саймонса и Принстонским университетом, что свидетельствует о его высокой значимости для современной астрофизики и планетологии. В будущем подобные расчеты могут помочь астрономам точнее интерпретировать данные телескопов и сузить круг поиска потенциально обитаемых миров.