Alla planeter är gjorda av gas, is, sten och metall, och modeller för hur planeter bildas utgår vanligtvis från att dessa material inte reagerar kemiskt med varandra. Men tänk om några av dem gör det?
Planetforskare från UCLA och Princeton ställde den frågan och fick ett överraskande svar: Under den intensiva hettan och trycket på nyfödda planeter reagerar vatten och gas med varandra, vilket skapar oväntade blandningar i atmosfärerna på unga planeter i storlekarna från jorden till Neptunus och ett ”regn” djupt inne i atmosfärerna.
Nya studier visar att den vanligaste typen av planeter i vår galax, de som är mellan jorden och Neptunus, vanligtvis bildas med en väteatmosfär, vilket resulterar i förhållanden där väte och planetens smälta inre interagerar under miljontals till miljarder år. Interaktioner mellan atmosfären och det inre är därför avgörande för att förstå hur dessa kroppar bildas och utvecklas och vad som kan finnas under dessa atmosfärer.
Men de temperaturer och tryck som är inblandade är så extrema att laboratorieexperiment för att studera dem är nästan omöjliga. Forskarna utnyttjade superdatorerna vid UCLA och Princeton för att genomföra kvantmekaniska molekyldynamiksimuleringar för att undersöka hur väte och vatten – två av de viktigaste planetbeståndsdelarna – interagerar över ett brett tryck- och temperaturområde i planeter av Neptunus storlek och mindre. Resultaten publiceras i The Astrophysical Journal Letters.
”Vi brukar tänka att grundläggande fysik och kemi redan är kända”, säger Lars Stixrude, professor i jord-, planet- och rymdvetenskap vid UCLA och medförfattare till studien. ”Vi vet när saker och ting smälter, när de löser upp sig och när de fryser. Men när det gäller planeternas djupa inre vet vi helt enkelt inte. Det finns ingen lärobok där vi kan slå upp de här sakerna, utan vi måste förutsäga dem.”
Forskarna satte upp simuleringar av ett system uppdelat i väte och vatten, med flera hundra atomer av varje, och beräknade hur de interagerar med varandra på kvantnivå. Atomerna reagerade på ett naturligt sätt, precis som de skulle göra i ett laboratorieexperiment under samma förhållanden.
Planeter kan vara extremt heta när de föds eller om de befinner sig mycket nära sina moderstjärnor, och dessa beräkningsexperiment visade att sådana planeter skulle ha en atmosfär som består av en homogen blandning av väte och vatten. Men när planeterna åldras sjunker temperaturen och vätet och vattnet börjar separera.
Det efterföljande vattenregnet skulle inte bara kunna generera en oväntad mängd värme djupt inne i dessa världar utan också omforma atmosfärernas sammansättning och planeternas utveckling under miljarder år.
”Med tiden, när planeten kyls ned, börjar moln bildas i atmosfärens yttre regioner när vatten kondenseras ut”, säger försteförfattaren Akash Gupta, som genomförde forskningen som doktorand vid UCLA och nu är 51 Pegasi b och Harry H. Hess Postdoctoral Fellow vid Princeton University.
”Kort därefter skulle vatten och väte börja separeras djupt inne i atmosfären – en avgörande händelse med tanke på att majoriteten av planetens väte- och vattenreserver finns i dessa djup. Detta skulle sedan leda till ett ”regn” djupt inne i planetens atmosfär när tyngre vatten sjunker medan lättare väte stiger, vilket resulterar i ett yttre, väterikt hölje och ett inre, vattenrikt.”
Upptäckten kan också bidra till att lösa mysteriet med varför Uranus avger mycket mindre värme än Neptunus trots att dessa planeter är mycket lika i storlek.
”Vattenregn kan hittills ha förekommit i större utsträckning i Neptunus än i Uranus, vilket har genererat mer intern värme i Neptunus”, säger Gupta. ”Detta skulle kunna förklara varför Uranus uppvisar ett betydligt lägre värmeflöde jämfört med Neptunus.”
Arbetet har konsekvenser för planeter utanför vårt solsystem, såsom K2-18 b och TOI-270 d, som har hävdats vara potentiellt beboeliga världar med en väteatmosfär som överlagrar ett vattenhav. Om de interna temperaturerna på sådana exoplaneter är tillräckligt höga kan de dock ligga helt inom det område där väte och vatten inte kan separeras, så att de skulle bestå av en enda homogen vätgas-vatten-vätska.
”Om vatten och väte verkligen är kraftigt blandade i en planets inre kan strukturen och den termiska utvecklingen hos jord- och neptunusliknande exoplaneter skilja sig avsevärt från de standardmodeller som vanligtvis används inom området”, säger Hilke Schlichting, medförfattare till studien och professor i jord-, planet- och rymdvetenskap vid UCLA.
”Å andra sidan kan planeter som är kallare ha ett separat lager som är berikat med vatten, eventuellt i flytande form.”
Forskningen ger således ytterligare ett fysikinspirerat ramverk för att begränsa sökandet efter planetsystem i vår galax där vattenrika exoplaneter kan ha vattenhav eller om de kan ha atmosfärer där väte och vatten är helt blandade och avslöjar vad som eventuellt styr denna bifurkation.
För mer information: Akash Gupta et al, The Miscibility of Hydrogen and Water in Planetary Atmospheres and Interiors, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/adb631
