В атмосферах новых планет могут присутствовать неожиданные смеси водорода и воды

Это представление художника показывает планету K2-18b, ее звезду-хозяина и сопутствующую планету в этой системе. Автор: ESA/Hubble, M. Kornmesser

Ученые-планетологи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Принстона задали этот вопрос и получили неожиданный ответ: под воздействием сильного тепла и давления новорожденных планет вода и газ вступают в реакцию друг с другом, создавая неожиданные смеси в атмосферах молодых планет размером от Земли до Нептуна и «дождь» глубоко внутри атмосфер.

Недавние исследования показывают, что наиболее распространенный тип планет в нашей галактике, между размерами Земли и Нептуна, обычно формируется с водородной атмосферой, что приводит к условиям, в которых водород и расплавленные недра планеты взаимодействуют в течение миллионов или миллиардов лет. Таким образом, взаимодействие между атмосферой и недрами имеет решающее значение для понимания формирования и эволюции этих тел и того, что может находиться под этими атмосферами.

Но температуры и давления настолько экстремальны, что лабораторные эксперименты по их изучению практически невозможны. Исследователи воспользовались преимуществами суперкомпьютеров Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Принстоне для проведения квантово-механического молекулярно-динамического моделирования, чтобы изучить, как водород и вода — два важнейших планетарных компонента — взаимодействуют в широком диапазоне давления и температуры на планетах размером с Нептун и меньше. Результаты опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.

«Обычно мы думаем, что базовая физика и химия уже известны», — сказал соавтор исследования Ларс Стиксруд, профессор наук о Земле, планетах и космосе Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Мы знаем, когда что-то расплавится, когда растворится, а когда замерзнет. Но когда дело доходит до глубоких недр планет, мы просто не знаем. Нет учебника, в котором мы могли бы посмотреть эти вещи, и нам приходится их предсказывать».

Исследователи создали симуляции системы, разделенной на водород и воду, с несколькими сотнями атомов каждого, и рассчитали, как они взаимодействуют друг с другом на квантовом уровне. Атомы отреагировали естественным образом, как если бы они реагировали в лабораторном эксперименте при тех же условиях.

Последующее выпадение осадков могло не только генерировать неожиданное количество тепла глубоко внутри этих миров, но и изменить состав атмосфер и эволюцию этих планет на миллиарды лет.

«Со временем, по мере остывания планеты, во внешних слоях атмосферы начинают формироваться облака из-за конденсации воды», — сказал первый автор Акаш Гупта, который проводил исследование, будучи докторантом Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а сейчас является научным сотрудником 51 Pegasi b и Гарри Х. Гесса в Принстонском университете.

«Вскоре после этого вода и водород начнут разделяться глубоко в атмосфере — важнейшее событие, учитывая, что большая часть запасов водорода и воды на планете находится именно в этих глубинах. Это приведет к «дождю» глубоко в атмосфере планеты, поскольку более тяжелая вода опустится, а более легкий водород поднимется, в результате чего образуется внешняя, богатая водородом оболочка и внутренняя, богатая водой».

Это открытие также может помочь разгадать тайну того, почему Уран излучает гораздо меньше тепла, чем Нептун, хотя эти планеты очень похожи по размеру.

«Выпадение воды, возможно, до сих пор происходило в большей степени на Нептуне, чем на Уране, таким образом, генерируя больше внутреннего тепла внутри Нептуна», — сказал Гупта. «Это могло бы 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, покрывающей водный океан. Однако внутренние температуры таких экзопланет, если они достаточно высоки, могут полностью находиться в режиме, в котором водород и вода не могут разделиться, так что они будут состоять из единой однородной водородно-водной жидкости.

«Если вода и водород действительно в значительной степени перемешаны во всех недрах планеты, структура и тепловая эволюция экзопланет, подобных Земле и Нептуну, могут существенно отличаться от стандартных моделей, обычно используемых в этой области», — говорит Хильке Шлихтинг, соавтор исследования и профессор наук о Земле, планетах и космосе Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

«С другой стороны, более холодные планеты могут иметь отдельный слой, обогащенный водой, возможно, в жидкой форме».

Таким образом, исследование дополнительно предоставляет основанную на физических данных структуру для сужения поиска планетных систем в нашей галактике, в которых богатые водой экзопланеты могли бы иметь водные океаны или иметь атмосферы, в которых водород и вода полностью смешаны, а также раскрывает то, что, возможно, управляет этой бифуркацией.

Больше информации: Akash Gupta et al, The Miscibility of Hydrogen and Water in Planetary Atmospheres and Interiors, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/adb631

Источник: University of California, Los Angeles