В глубинах планет идут дожди – и это может изменить наше понимание миров за пределами Солнечной системы
Новое исследование предполагает, что глубоко внутри некоторых планет может идти “дождь” из смеси воды и водорода. Это открытие ставит под сомнение прежние модели строения планет и может кардинально изменить наше понимание далеких экзопланет. Ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и Принстонского университета показали, что при экстремальных температурах и давлениях вода и водород не просто остаются разделенными слоями, как считалось ранее.
Загадка смешивания воды и водорода
Традиционно планетологи полагали, что внутри планет, богатых водой, таких как Нептун или Уран, вода и водород образуют четкие слои. Однако новое исследование, основанное на компьютерном моделировании с использованием квантовой механики, рисует иную картину.
Ключевым фактором являются экстремальные условия. В недрах планет, особенно молодых и горячих, давление может достигать миллионов атмосфер, а температура — тысяч градусов Цельсия. При таких условиях:
- Молекулы воды (H₂O) разрушаются.
- Водород (H₂) переходит в металлическое состояние. Его электроны становятся “свободными”, перемещаясь между атомами.
- Химические свойства веществ кардинально меняются.
В итоге, водород и кислород (из распавшейся воды) начинают активно взаимодействовать и смешиваться с окружающим водородом.
Не просто смесь, а “дождь”
Однако смешивание не всегда полное. Исследователи использовали термин “смешиваемость” (miscibility). Подобно тому, как масло и вода не смешиваются полностью при обычных условиях, так и водород с кислородом (и остатками воды) могут смешиваться лишь частично при определенных давлениях и температурах внутри планеты.
Что это значит? Если условия меняются (например, при остывании планеты или на разных глубинах), смесь может снова разделиться. Более тяжелые компоненты, богатые кислородом и водой, могут начать “выпадать” из более легкого водородного слоя. Этот процесс можно образно назвать “дождем” в недрах планеты. Похожий механизм, “гелиевый дождь”, как полагают, происходит внутри газовых гигантов вроде Юпитера и Сатурна, влияя на их эволюцию.
Последствия для понимания планет
Открытие частичной смешиваемости и возможного “дождя” из воды имеет серьезные последствия:
- Внутренняя структура: Планеты могут не иметь четких слоев, как думали раньше. Вместо этого может существовать градиентный переход или области разделения фаз.
- Перенос тепла: Смешивание и разделение фаз влияют на конвекцию – процесс переноса тепла из недр к поверхности. Это, в свою очередь, определяет скорость остывания планеты.
- Магнитные поля: Движение проводящих жидкостей (как металлический водород) генерирует магнитное поле планеты. Изменение структуры и динамики недр может объяснить разнообразие магнитных полей у разных планет, включая экзопланеты.
Новый взгляд на экзопланеты
Результаты особенно важны для изучения экзопланет – миров за пределами нашей Солнечной системы. Многие из обнаруженных экзопланет относятся к классам “суперземель” и “мини-нептунов”. Эти планеты часто богаты водой. Понимание того, как ведут себя вода и водород в их недрах, критически важно для создания точных моделей их строения, эволюции и потенциальной обитаемости.
Исследование показывает, что наши представления о планетах могут быть слишком упрощенными. Планетные недра – это динамичные и химически сложные среды. Учет эффектов смешиваемости под высоким давлением необходим для правильной интерпретации данных, получаемых с помощью телескопов, изучающих далекие миры. Это позволяет нам лучше понять условия, царящие на тысячах известных нам экзопланет.