Wenn ein Planet aus wirbelnden Taschen aus molekularem Gas und Staub geboren wird, die einen jungen Stern umgeben, bildet er sich unter Bedingungen intensiver Schwerkraft und Druck. Der Prozess ist gewalttätig, die ersten Phasen des Lebens eines Planeten sind chaotisch und die Neugeborenen -Welten sind oft heiß.
Wissenschaftler haben lange angenommen, dass unter diesen extremen Bedingungen die Rohstoffe, die an der Bildung von Welten verbunden sind – Gas, Eis, Stein und eine Mischung aus Metallen – nicht wirklich viel miteinander interagieren. Es kann jedoch an der Zeit sein, diese Idee noch einmal zu besuchen. Ein Team von Forschern der University of California, der Los Angeles und der Princeton University hat diese Annahme in Frage gestellt und sich stattdessen gefragt, ob ein bildender Planet jenseits unseres Sonnensystems – ein Exoplanet – als natürliches Labor dienen könnte, in dem Moleküle auf überraschende Weise innerhalb der brodelnden Hitze seiner Atmosphäre und des Kerns interagieren.
“Standardmodelle von Planeten gehen davon aus, dass diese Bausteine nicht miteinander interagieren”, sagte Lars Stixrude, Professor an der UCLA, gegenüber Space.com. “Da so viele neue Planeten entdeckt werden, insbesondere diejenigen, die wahrscheinlich dicke Wasserstoffatmosphären mit geschmolzenem Innenraum aus Wasser, Gestein oder beider haben – haben wir gefragt, ob diese Annahme wirklich gilt, insbesondere angesichts der extremen Bedingungen, die in Planeten möglich sind, bei denen unser Verständnis der Physik nicht gut etabliert ist.”
Die Entwicklung von wasserreichen Planeten wurde weithin untersucht, obwohl dies typischerweise unter dieser Annahme ist: dass ihre Wasserstoff-reichen Atmosphären nicht mit ihren wasserreichen Innenräumen interagieren. Aber Stixrude und seine Co-Autoren Akash Gupta und Hilke Schittend schließen eine einzigartige Dynamik zwischen Wasser und Wasserstoff vor, dass wir in unseren Modellen der Planetenentwicklung fehlen.
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Um herauszufinden, wie ein System, das aus Wasserstoff und Wasser besteht, interagieren könnte, wenn es zusammen in einer anderen Welt existierte, führte das Team computergestützte Simulationen durch, die die Dynamik von Molekülen auf Quantenebene modellieren.
“Stellen Sie sich unsere Computerexperimente als ein winziges digitales Labor vor, in dem wir Hunderte von Wasserstoff- und Wassermolekülen in eine Schachtel legen”, sagte Gupta, eine UCLA -Doktorandin zum Zeitpunkt der Studie und jetzt Postdoktorand an der Princeton University, sagte Space.com.
“Wir lassen dann die Quantenmechanik regeln, wie sich diese Moleküle unter verschiedenen Drücken und Temperaturen verhalten, ähnlich wie bei den Bedingungen innerhalb der Planeten”, fuhr er fort. “Dieser Prozess hilft uns, herauszufinden, welche Planetenbedingungen das Mischen oder die Trennung bevorzugen und in welchem Maße.”
Die Forscher identifizierten eine “kritische Kurve” in der Druck-Temperatur-Beziehung des Wasserstoff-Wasser-Gemisches-eine Grenze, an der Wasserstoff und Wasser vom vollständigen Mischen in eine einzelne Flüssigkeit zu zwei unterschiedlichen Phasen wechseln.
“Wenn Planeten jung oder heiß sind, können sich ihre Innenräume auf der wärmeren Seite dieser (Druck -Temperatur) -kurve befinden, die uns sagt, dass Wasserstoff und Wasser vollständig gemischt werden”, sagte Gupta. “Wenn die Planeten mit zunehmendem Alter abkühlen, können ihre Innenräume schließlich auf die kühlere Seite dieser Kurve fallen, und Wasserstoff trennen sich dann.”
Der vielleicht interessanteste Teil der Simulationen ist, dass das Team voraussagt, dass sich der Planet, wenn sich der Planet kühlt und sich das Wasser trennt, einen Planetenweit “regnen”, wenn er tiefer in die Atmosphäre einfließt. “Dies kann dann zu einer Veränderung der Zusammensetzung der Planetenatmosphären führen: das Auftreten einer Wasserstoff-reichen Atmosphäre und eines wasserreichen Innenraums sowie Auswirkungen auf das Energiebudget des Planeten”, sagte Schliching, Professor an der UCLA, zu Space.com.
Wenn der Planet kühl genug wird und Wasserstoff und Wasser zu Beginn seiner Entwicklung getrennt werden, könnte sich Gupta unter der Wasserstoffatmosphäre bilden, wodurch sich eine überkritische Wasserschicht bilden könnte, wodurch neues Licht darüber abgelaufen ist, wie Planeten mit flüssigem Wasser Ozeanen existieren könnten.
Diese Erkenntnisse könnten auch dazu beitragen, ein langjähriges Rätsel zu lösen, das die Off-Kilter-Magnetfelder von Neptun und Uranus umgibt. “Magnetfelder in Planeten werden durch fließende leitende Materialien tief in sich erzeugt”, sagte Gupta. “Bei hohen Drücken und Temperaturen, wie erwartet in Uranus und Neptun, können Wasserstoff und Wasser zu atomarem und metallähnlich werden, dh gute Leiter von Elektrizität.”
“Diese Mischung selbst könnte also (…) die rätselhaften Magnetfelder von Uranus und Neptun erklären, die anders als jeder andere Planetenkörper in unserem Sonnensystem sind”, fuhr er fort. “Früher wurden diese Magnetfelder nur auf reine Wasser- oder Eisschichten zurückgeführt, da die Physik hinter Wasserstoffwasserwechselwirkungen weitgehend unerforscht war.”
Studien wie diese bieten eine unglaublich wertvolle Plattform, um die Grenzen der Physik und Chemie zu untersuchen, wie wir sie kennen. Die Planetenkerne bieten eine einzigartige Kulisse, um sich in diese Bereiche zu befassen, um unser aktuelles Verständnis in Frage zu stellen und möglicherweise neue Prinzipien zu enthüllen, die sie neu gestalten könnten.
“Wir gehen oft davon aus, dass Physik und Chemie vollständig verstanden sind, aber wenn wir uns tief in den Planeten in die extremen Bedingungen eintauchen – drückt Tausende bis Millionen Male größer als die Atmosphäre der Erde und die Temperaturen, die heiß genug sind, um Gestein zu schmelzen – wir erkennen schnell, wie viel es noch gibt”, sagte Gupta. “Dies gilt insbesondere im aufstrebenden Bereich von Exoplaneten, in denen Einsichten aus Astrophysik, Planetenwissenschaft, Geowissenschaften und Chemie von wesentlicher Bedeutung sind, wenn wir die unglaublich komplexen Systeme (von) Planeten und ihre Atmosphäre wirklich verstehen wollen.”
Das Team sagt, sie planen, ihre molekularen Simulationen auf stein- und eisbildende Moleküle einzubeziehen, um zu verstehen, wie sie koexistieren und mit der Atmosphäre auf Wasserstoffbasis eines Planeten, seinem Innenraum und anderen Gasen wie Helium, wie Helium, zusammenarbeiten könnten.
“Diese neuen Erkenntnisse über die Schnittstelle von Chemie und Physik helfen uns so, unbekannte Gebiete zu erforschen”, schloss Schlichting. “Jedes neue Ergebnis kann unser Verständnis von Planeten, ihrer Bewohnbarkeit und unserem Platz in diesem Universum neu gestalten.”
