Астрофизические наблюдения показали, что похожие по размерам на Нептун, но богатые водой экзопланеты (планеты возле других звезд) весьма широко распространены в нашей галактике. Предполагается, что эти «водные миры» покрыты толстым слоем воды толщиной от сотен до тысяч километров, полностью покрывающим их каменные мантии. Несмотря на то, что богатые водой экзопланеты представляют собой явление распространенное, их состав сильно отличается от состава Земли, поэтому существует множество неизвестных, касающихся структуры, состава и геохимических циклов этих планет.
Ученые считают, что больше водные миры, размером с Нептун, совсем не похожи по своей геохимии на Землю. © ESA / Hubble, M. Kornmesser
Чтобы узнать больше об этих планетах, международная исследовательская группа, собранная при Университете штата Аризона (ASU), провела одно из первых минералогических лабораторных исследований богатых водой экзопланет. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале «Известия Национальной академии наук».
«Изучение химических реакций и процессов - это важный шаг вперед для понимания такого типа часто встречающихся планет», - говорит соавтор исследования Дэн Шим из Школы исследования Земли и космоса ASU.
Общий научный консенсус заключается в том, что вода и камни образуют внутри водных миров отдельные слои. А поскольку вода легче, на богатых водой планетах под слоем воды должен быть слой каменистых пород. Однако экстремальные условия давления и температуры на границе между слоями воды и породы могут фундаментально изменять поведение этих материалов.
Чтобы смоделировать эти условия высокого давления и температуры в лабораторных условиях, ведущий автор проекта Кэрол Ниср провела эксперименты в лаборатории Земли и планетарных материалов Шимса в ASU, используя для них специальные ячейки высокого давления, изготовленные из алмаза.
Для своего эксперимента исследователи использовали растворенные в воде силикаты, при этом они сжимали образец между алмазами до очень высокого давления. А затем они нагревали образец лазерными лучами до температуры более 1500 градусов по Цельсию.
Также члены команды проводили лазерное нагревание в Аргоннской Национальной Лаборатории в Иллинойсе. Для контроля реакции между силикатами и водой были проведены рентгеновские измерения, происходившие, когда лазер нагревал образец под очень высоким давлением.
Ученым удалось обнаружить в э том процессе неожиданную новую твердую фазу с кремнием, водородом и кислородом.
«До сих пор считалось, что слои воды и породы на богатых водой планетах хорошо разделены», - рассказывает Ниср. - «Но в ходе наших экспериментов мы обнаружили ранее неизвестную реакцию между водой и силикатами со стабильной твердой фазой в промежуточном составе. И при этом различие между водой и камнем оказалось при высоком давлении и высоких температурах удивительно «размытым».
Исследователи надеются, что эти результаты улучшат наши знания о структуре и составе богатых водой планет и их геохимических циклах.
«Наше исследование будет иметь имеет важные последствия и ставит новые вопросы о химическом составе и структуре внутренней структуры богатых водой экзопланет», - говорит Ниср. - «При этом геохимический цикл богатых водой планет может очень сильно отличаться от других каменистых планет, таких как Земля».
