Дослідники провели експерименти з мінералами олівіном та фероперикластом, помістивши їх в умови, що відповідають надрам різних типів планет, зокрема і крижаних гігантів Сонячної системи. Про це вони пишуть у журналі Nature Astronomy. Виявилося, що близько 3% верхнього шару води на Урані та Нептуні можуть бути насиченими оксидом магнію.
NASA, JPL-Caltech
Що відомо про надра крижаних гігантів?
Водень, гелій, кисень, залізо, кремній та магній є основними складовими елементами планет. Залежно від співвідношення цих елементів утворюється широкий композиційний спектр, від кам’янистих планет земної групи до крижаних і газових гігантів. У найпоширеніших моделях планети, багаті водою, розподілені на декілька шарів: атмосфера, лід чи рідина, скеляста мантія та металеве ядро. Хімічна взаємодія і термодинамічні процеси мінералів, що містять воду, у водному середовищі в надрах планет лишаються малодослідженими, особливо при високих тисках. Науковці припускають, що у водному шарі Урана та Нептуна можуть існувати важкі елементи.
Які експерименти провели вчені?
Щоб вивчити надра багатих водою планет, дослідники вирішили проаналізувати типові породотвірні мінерали: олівін та феропериклаз. Їх помістили у нагріте лазером діамантове ковадло, занурене у воду. Таким чином науковці зімітували температуру і тиск, що очікуються для внутрішніх шарів планет масою від 1 до 6 мас Землі.
Про що вони дізналися?
Виявилося, що під високим тиском оксид магнію стає розчинним у воді. Об'ємне співвідношення між оксидом магнієм та водою, які беруть участь у реакції, становить від 1:5 до 1:10. Використовуючи ці дані, дослідники змоделювали надра екзопланет, зупинившись на двох їхніх розмірах, при яких взаємодія води та породи знаходяться в межах діапазону тисків, перевіреного під час експериментів: від 0,7 до 1,4 маси Землі (наприклад, екзопланети TRAPPIST 1c та TRAPPIST 1f), а також близько 6.6 маси Землі (наприклад, GJ 1214b). Для планет розміром із Землю тиск на поверхні розділу води та гірської породи буде близьким до того, при якому розчинність оксиду магнію у воді була найбільшою. Тобто, якщо така планета достатньо тепла, вона буде мати шар рідкої води з великою кількістю розчиненого оксиду магнію. Більші планети, що матимуть достатньо високу температуру, також матимуть шар води із розчиненим оксидом магнію, але у глибоких шарах води цієї сполуки буде набагато менше. Вчені також визначили, що верхні 3% поверхневого шару води Нептуна та Урана будуть містити розчинений оксид магнію.
а) Розчинність оксиду магнію у воді; b) Моделі водних надр чотирьох типів планет в залежності від їхньої маси і температури. Taehyun Kim et al.
Хоча планети, багаті водою, поширені в нашій галактиці, їхня внутрішня структура та геохімічні цикли недостатньо вивчені. Дослідники сподіваються, що їхня робота надасть важливу інформацію щодо цього.