Ученые с помощью математического моделирования «заглянули» в недра суперземель и выяснили, что в них могут существовать соединения, запрещённые классической химией — эти вещества могут ускорять теплоперенос и усиливать магнитное поле таких планет, говорится в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.
Суперземля Gliese 832с в сравнении с нашей планетой.
Авторы исследования — группа из МФТИ под руководством Артёма Оганова, профессора Сколтеха и заведующего лабораторией в МФТИ. Ранее Оганов и его коллеги с помощью алгоритма USPEX открыли новые соединения натрия и хлора, другие экзотические вещества.
В новой работе они попытались выяснить, какие соединения могут образовывать кремний, кислород и магний при высоких давлениях. Эти элементы были выбраны не случайно.
«Планеты земного типа состоят из тонкой силикатной коры, силикатно-оксидной мантии — которая у Земли составляет примерно 7/8 объема и состоит более, чем на 90% из силикатов и оксида магния, и железного ядра. Можно сказать, что магний, кислород и кремний являются основой химии Земли и планет земного типа», — говорит Оганов.
С помощью алгоритма USPEX ученые исследовали различные структурные композиции Mg-Si-O, которые могут возникать в диапазоне давлений от 5 до 30 миллионов атмосфер. Такое давление может существовать в недрах суперземель, планет с твёрдой поверхностью, чья масса в несколько раз выше массы Земли. Таких планет нет в Солнечной системе, однако астрономам известны планеты у других звёзд, которые «не дотягивают» по массе до газовых гигантов, но существенно тяжелее Земли. Их и называют суперземлями. К ним относятся, например, недавно открытая Gliese 832с, которая в пять раз тяжелее Земли или мега-земля Kepler-10c — её масса в 17 раз больше земной.
Результаты компьютерного моделирования показали, что в недрах таких планет могут существовать «экзотические» соединения MgSi3O12 и MgSiO6. В них гораздо больше атомов кислорода, чем в нашем «земном» MgSiO3.
Кроме того, MgSi3O12 – металлический оксид, это проводник, в то время как остальные вещества, состоящие из атомов Mg-Si-O – диэлектрики или полупроводники.
«Их свойства очень сильно отличаются от обычных соединений магния, кислорода и кремния — многие являются металлами или полупроводниками. Это важно для генерации магнитных полей на этих планетах. Поскольку магнитные поля генерируются конвекцией электрически проводящего вещества планетных недр, высокая проводимость может означать более мощное магнитное поле», — поясняет Оганов.
В свою очередь, более сильное магнитное поле означает более мощную защиту от космической радиации, а значит и более благоприятные условия для живых организмов. Также были предсказаны новые оксиды магния и кремния, не вписывающиеся в правила классической химии — SiO, SiO3 и MgO3, в дополнение к предсказанным Огановым ранее при более низких давлениях MgO2 и Mg3O2.
Моделирование также позволило учёным выяснить, какие реакции распада при сверхвысоких давлениях суперземель испытывает MgSiO3 — пост-перовскит.
«От этого зависят границы слоев в мантии и их динамика. Например, экзотермическое фазовое превращение ускоряет конвекцию мантии и теплоперенос внутри планеты, а эндотермическое — замедляет. То есть скорость перемещения литосферных плит на такой планете может быть выше», — отмечает Оганов.
По его словам, конвекция, которая определяет тектонику плит и перемешивание мантийного вещества, может быть более быстрой (ускоряя перемешивание вещества и перенос тепла), либо более медленной. Для случая эндотермического превращения возможен сценарий расслоения планеты на несколько независимо конвектирующих оболочек, отметил он.
Благодаря тому, что земные континенты перемещаются, «плавая» на поверхности мантии, на Земле есть вулканизм и атмосфера.
