Yeni gezegenlerin atmosferleri beklenmedik hidrojen ve su karışımlarına sahip olabilir

Tüm gezegenler gaz, buz, kaya ve metalden yapılmıştır ve gezegenlerin nasıl oluştuğu modeller genellikle bu malzemelerin birbirleriyle kimyasal olarak tepki vermediğini varsayar. Peki ya bazıları yaparsa?

UCLA ve Princeton gezegenli bilim adamları bu soruyu sordu ve şaşırtıcı bir cevap aldı: Yeni doğan gezegenlerin yoğun sıcaklığı ve basıncı altında, su ve gazın tepki verdiği, genç toprak-neptün boyutlu gezegenlerin atmosferlerinde beklenmedik karışımlar ve atmosferlerin derinliklerinde bir “yağış”.

Son çalışmalar, galaksimizdeki en yaygın gezegen türünün, Dünya ve Neptün boyutları arasındaki, tipik olarak bir hidrojen atmosferi ile oluştuğunu ve bu da hidrojen ve gezegenin erimiş iç kısmının milyonlarca yıl boyunca etkileşime girdiği koşullarla sonuçlandığını göstermektedir. Bu nedenle atmosfer ve iç mekan arasındaki etkileşimler, bu bedenlerin oluşumunu ve evrimini ve bu atmosferlerin altında neler olabileceğini anlamak için çok önemlidir.

Ancak ilgili sıcaklıklar ve baskılar o kadar aşırı ki, onları incelemek için laboratuvar deneyleri neredeyse imkansız. Araştırmacılar, Hidrojen ve Suyun-en önemli gezegensel bileşenlerin ikisinin-gezegenlerde geniş bir basınç ve sıcaklık üzerinde nasıl etkileşime girdiğini araştırmak için kuantum mekanik moleküler dinamik simülasyonları yapmak için UCLA ve Princeton süper bilgisayarlarından yararlandı. Sonuçlar yayınlanmış içinde Astrofizik dergi mektupları.

UCLA Earth, Gezegensel ve Uzay Bilimleri profesörü olan çalışma ortak yazarı Lars Stixrude, “Temel fizik ve kimyayı zaten biliniyor olarak düşünüyoruz.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “İşlerin ne zaman eriyeceğini ve ne zaman çözüleceklerini ve ne zaman donacaklarını biliyoruz. Ama gezegenlerin derin içlerine gelince, bilmiyoruz. Bunlara bakabileceğimiz bir ders kitabı yok ve onları tahmin etmeliyiz.”

Araştırmacılar, her birinin birkaç yüz atomuyla hidrojen ve suya bölünmüş bir sistemin simülasyonlarını kurdular ve kuantum seviyesinde birbirleriyle nasıl etkileşime girdiklerini hesapladılar. Atomlar, aynı koşullar altında bir laboratuvar deneyinde olduğu gibi doğal bir şekilde yanıt verdi.

Gezegenler, doğduklarında veya ana yıldızlarına çok yakınsa son derece sıcak olabilir ve bu hesaplama deneyleri bu tür gezegenlerin homojen bir hidrojen ve su karışımından oluşan bir atmosfere sahip olacağını göstermiştir. Ancak gezegenler yaşlandıkça sıcaklıkları azalır ve hidrojen ve su ayrılmaya başlar.

Sonraki suyun yağmuru sadece bu dünyaların içinde beklenmedik miktarda ısı üretmekle kalmaz, aynı zamanda atmosferlerin bileşimini ve bu gezegenlerin milyarlarca yıl boyunca evrimini de yeniden şekillendirebilir.

Araştırmayı UCLA doktora öğrencisi olarak yürüten ve şu anda 51 Pegasi B ve Harry H. Hess Postdoctoral Üyesi Princeton Üniversitesi’nde yapan ilk yazar Akash Gupta, “Gezegen soğudukça, atmosferin dış bölgelerinde bulutlar oluşmaya başlıyor.” Dedi.

“Kısa bir süre sonra, su ve hidrojen atmosfer içinde derinlemesine ayrılmaya başlayacaktır-gezegenin hidrojen ve su rezervlerinin çoğunluğunun bu derinliklerde yattığı göz önüne alındığında, bu, daha ağır su lavabosunun derinliklerinde bir ‘yağışa’ yol açarken, daha ağır hidrojen yükselirken, hidrojen ve bir su-rich ile sonuçlanır.

Bulgu, Uranüs’ün neden Neptün’den çok daha az ısı yaydığının gizemini çözmeye yardımcı olabilir, ancak bu gezegenler çok benzer olsa da.

Gupta, “Neptün’de su yağmuru şimdiye kadar Uranüs’ten daha fazla meydana gelmiş olabilir, böylece Neptün içinde daha fazla iç ısı üretmiş olabilir.” Dedi. “Bu, Uranüs’ün Neptün’e kıyasla neden önemli ölçüde daha düşük ısı akışı sergilediğini açıklayabilir.”

Çalışmanın, bir su okyanusunun üstünde hidrojen atmosferi olan potansiyel olarak yaşanabilir dünyalar olduğu iddia edilen K2-18 B ve TOI-270 D gibi güneş sistemimizin dışındaki gezegenler için etkileri vardır. Bununla birlikte, bu tür dış gezegenlerin iç sıcaklıkları, yeterince yüksekse, hidrojen ve suyun ayrılamadığı rejimde tamamen uzanabilir, böylece tek bir homojen hidrojen-su sıvısından oluşurlar.

Hilke Schlichting, çalışma ortak yazar ve UCLA toprak, gezegen ve uzay bilimleri profesörü, “Su ve hidrojen gerçekten bir gezegenin iç kısmı boyunca önemli ölçüde karıştırılmışsa, toprak ve Neptün benzeri dış gezegenlerin yapısı ve termal evrimi, genellikle sahada kullanılan standart modellerden önemli ölçüde farklı olabilir.” Dedi.

“Öte yandan, daha soğuk olan gezegenler, muhtemelen sıvı formda suda zenginleştirilmiş ayrı bir tabakaya sahip olabilir.”

Bu nedenle araştırma, galaksimizde su açısından zengin dış gezegenlerin su okyanuslarına sahip olabileceği veya hidrojen ve suyun tamamen karıştırıldığı ve bu çatallanmayı yöneten şeyleri ortaya çıkardığı atmosferlere sahip olabileceği gezegen sistemlerinin araştırılmasını daraltmak için fizikten ilham alan bir çerçeve sağlar.