В новом исследовании ученые проанализировали проводимость электричества и тепла воды в условиях экстремальной температуры и давления, таких, которые происходят внутри планет ледяных гигантов, а также на многих экзопланетах за их пределами. На самом деле, исследование явлений, происходящих под их поверхностью, является ключом к пониманию эволюции этих небесных объектов, установлению их возраста и проливает свет на геометрию и эволюцию их магнитных полей.
Реконструируя в малом масштабе физические процессы, происходящие на планетах-гигантах, таких как Уран и Нептун, новый метод компьютерного моделирования позволяет пролить свет на их нынешнюю структуру и прошлую эволюцию.
Новый теоретический метод открывает путь к моделированию внутренней части ледяных гигантов Урана и Нептуна благодаря компьютерному моделированию воды, содержащейся в них. Инструмент, разработанный учеными из SISSA в Триесте и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, позволяет анализировать тепловые и электрические процессы, которые часто невозможно воспроизвести экспериментально, поскольку это тяжело и дорого обойдется.
«Водород и кислород - самые распространенные элементы во Вселенной, наряду с гелием. Легко сделать вывод, что вода является одним из основных компонентов многих небесных объектов. Ганимед и Европа, спутники Юпитера, и Энцелад, спутник Сатурна, представляют собой ледяные поверхности, под которыми находятся океаны воды. Нептун и Уран, вероятно, тоже состоят в основном из воды », - объясняют Федерико Грасселли и Стефано Барони, авторы исследования.
«Наши знания о планетах», - говорят ученые, - «основаны на характеристиках поверхности планеты и магнитного поля, которые находятся под влиянием физических характеристик их внутренней структуры, таких как перенос энергии, массы и заряда через внутренние промежуточные слои. Вот почему мы разработали теоретический и вычислительный метод для расчета теплопроводности и электропроводности воды в фазах и условиях, возникающих в таких небесных объектах, начиная с передовых моделей микроскопической динамики нескольких сотен атомов и включая квантовую природу электронов без какого-либо специального приближения. Моделируя атомные масштабы за доли наносекунды, мы сможем понять, что случилось с огромными массами на временных масштабах в миллиарды лет».
Ученые проанализировали три различные фазы воды: ледяную, жидкую и суперионную в условиях экстремальных температур и давления, типичных для внутренних слоев этих планет. Грасселли и Барони объясняют: «В таких экзотических физических условиях мы не можем думать о льде, к которому привыкли. Даже вода на самом деле другая, более плотная, с несколькими молекулами, диссоциированными на положительные и отрицательные ионы, и таким образом носит электрический заряд. Суперионная вода находится где-то между жидкой и твердой фазами: атомы кислорода молекулы H2O организованы в кристаллическую решетку, а атомы водорода свободно диффундируют, как в заряженной жидкости».
Два ученых также заявляют, что «внутренние электрические токи лежат в основе магнитного поля планеты. Если мы поймем, как протекают первые, мы сможем узнать намного больше о последних ». И не только это.
«Коэффициенты переноса тепла и электричества определяют историю планеты, как и когда она образовалась, как остыла. Поэтому крайне важно проанализировать их с помощью соответствующих инструментов, подобных разработанному нами. В частности, свойства теплопроводности, которые вытекают из нашего исследования, позволяют нам выдвинуть гипотезу о том, что существование замороженного ядра может объяснить аномально низкую светимость Урана из-за чрезвычайно низкого теплового потока из его внутренней части к поверхности».
Кроме того, электрическая проводимость суперионной фазы намного больше, чем предполагалось в предыдущих моделях генерации магнитного поля на Уране и Нептуне. Поскольку считается, что суперионная вода доминирует в плотных и медленных планетных слоях ниже области конвективной жидкости, где генерируется их магнитное поле, это новое свидетельство может оказать большое влияние на изучение геометрии и эволюции магнитных полей двух планет.