Исследование: внеземные взрывы могут быть холодными и горячими

Плотная атмосфера Титана блокирует вид на его поверхность, создавая изображения, подобные виду Титана в центре. Вместо этого астрономы используют инфракрасную технологию для создания визуальных приближений его внешнего вида. Автор: NASA/JPL/Caltech/Space Science Institute/University of Nantes/University of Arizona

Гора Везувий, Кракатау, гора Сент-Хеленс: С момента образования Земли примерно 4,5 миллиарда лет назад конвекция и выброс горячей магмы в ее мантийном слое, как известно, привели к некоторым из самых смертоносных извержений в истории. Но что, если те же самые взрывы произошли, когда геологическая структура и близлежащие химические соединения стали слишком холодными?

Подтверждение этого шокирующего явления стало центральной частью исследования аспирантки пятого года обучения Шаэлин Рапосы и недавней выпускницы NAU Анны Энгл , опубликованного в прошлом месяце в журнале Journal of Geophysical Research: Planets.

Сосредоточившись на материалах, найденных на ледяных ледниках Плутона и озерах Титана, крупнейшего спутника Сатурна, исследователи изначально намеревались изучить, как эти соединения, существующие на Земле в виде газов, ведут себя при температурах ниже нуля.

Однако их ждал сюрприз, когда холодные условия в Лаборатории астрофизических материалов Уэтто привели к резким скачкам давления и небольшим взрывам, когда их химические смеси начали замерзать. Это событие исследователи окрестили «вспышкой».

«Эти выбросы происходят при охлаждении смеси, подобно последствиям, которые возникают, когда газировка слишком долго остается в морозильнике», — сказал Рапоса. «Однако, когда речь идет о геологических извержениях, мы думаем о них как о последствиях нагревания чего-либо, например, вулканов. В обоих случаях изменение температуры вызывает изменение давления, что имеет смысл, но мы не ожидали увидеть скачок давления после того, как наши смеси замерзнут».

Завершив исследование в 2023 году, Рапоса и Энгл создали смеси с различными уровнями азота, этана, оксида углерода или метана — все эти соединения встречаются в жидкой форме на Плутоне и Титане — и ввели их в ячейки для образцов из алюминиевого сплава. Затем эти ячейки охлаждались в гелиевом холодильнике и контролировались с помощью двух нихромовых нагревателей, воспроизводя температуру -300° внешней солнечной системы.

Используя спектроскопию, исследователи смогли подтвердить точные условия, которые привели к фазовым изменениям в каждой смеси соединений, от газообразных форм до твердых льдов. Это исследование было редкой попыткой точно воспроизвести внеземные условия на Земле, что стало возможным только благодаря уникальному лабораторному пространству в NAU.

Автор: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

«Отправлять физические миссии в такие места, как Плутон и Титан, для изучения поверхности обходится дорого, поэтому приятно иметь возможность изучать, как эти материалы ведут себя в лабораторных условиях», — сказал Рапоза. «Однако есть трудности, поскольку вам нужна лабораторная установка, похожая на нашу, разработанная для изучения смесей при низких температурах. Таких существует не так много, и в результате было проведено очень мало исследований, изучающих поведение этих материалов».

Когда смеси достигли точки замерзания или ниже ее, жидкость, находящаяся под затвердевающим льдом, начала лопаться и раздуваться, что означало высвобождение скрытого тепла и скачок давления, который превзошел прочность ограничивающего твердого тела.

Эта реакция, возможно, может стать ответом на бесчисленные взрывоопасные загадки, преследующие нашу Солнечную систему и за ее пределами: от ледяного или грязевого вулканизма на Марсе до острых впадин на поверхности Титана.

«При правильных условиях мы могли бы увидеть извержения, вызванные охлаждением как на ледяных, так и на каменистых мирах», — сказал Рапоза. «Вспышки, подобные тем, что мы наблюдали в лаборатории, могут дать альтернативные объяснения кратерам взрывов, обнаруженным в Сибири, и, возможно, гейзерам и шлейфам, обнаруженным на Европе, спутнике Юпитера, и Энцеладе, другом спутнике Сатурна».

Хотя магма и изнурительная жара, возможно, не являются значимыми факторами на других планетных телах, находящихся в миллиардах миль отсюда, исследование Рапозы и Энгла гарантирует, что ученым не придется откладывать свои исследования.

Данные о том, как изменения температуры и давления влияют на соединения за пределами Земли, могут оказаться критически важными для создания точных моделей таких мест, как Плутон и Титан, что в конечном итоге приведет к новым открытиям, связанным с каждым астрономическим объектом.

Благодаря ценным знаниям в области термодинамики, полученным в ходе этого исследования, астрономы стали на один шаг ближе к возможности увидеть космические гиганты Солнечной системы в наших земных лабораториях.

Больше информации: SM Raposa et al, Outbursts Upon Cooling of Low‐Temperature Binary Mixtures: Experiments and Their Planetary Implications, Journal of Geophysical Research: Planets (2024). DOI: 10.1029/2024JE008457. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2410.05633

Источник: Northern Arizona University