Исследование, проведенное под руководством студентов, показывает, что внеземные взрывы могут быть горячими и холодными

Везувий, Кракатау, вулкан Сент-Хеленс: С момента образования Земли примерно 4,5 миллиарда лет назад конвекция и высвобождение горячей магмы в ее мантийном слое привели к самым смертоносным извержениям в истории. Но что, если такие же взрывы происходят, когда геологический объект и близлежащие химические соединения становятся слишком холодными?

Подтверждение этого шокирующего явления стало центральным пунктом исследования студентки пятого курса докторантуры Шаэлин Рапоса и недавней выпускницы NAU Анны Энгл , опубликованного в прошлом месяце в Journal of Geophysical Research: Planets.

Сосредоточившись на материалах, найденных в ледяных ледниках Плутона и озерах Титана, крупнейшей луны Сатурна, исследователи первоначально поставили перед собой задачу изучить, как эти соединения, существующие на Земле в виде газов, ведут себя при отрицательных температурах.

Однако холодные условия лаборатории астрофизических материалов Уэттоу привели к резким скачкам давления и небольшим взрывам, когда химические смеси начали замерзать, что исследователи назвали «вспышкой».

«Такие вспышки происходят при охлаждении смеси, подобно тому, как это происходит, если оставить газировку надолго в морозилке», — говорит Рапоса. «Однако, когда речь заходит о геологических извержениях, мы думаем о них как о следствии нагревания чего-либо, как, например, о вулканах. В обоих случаях изменение температуры приводит к изменению давления, что вполне логично, но мы не ожидали увидеть скачок давления после замерзания наших смесей».

Завершая исследование в 2023 году, Рапоса и Энгл приготовили смеси с разным содержанием азота, этана, угарного газа и метана — всех соединений, обнаруженных в жидком виде на Плутоне и Титане, — и ввели их в ячейки для образцов из алюминиевого сплава. Затем эти ячейки охлаждали в гелиевом холодильнике и контролировали температуру с помощью двух нихромовых нагревателей, воспроизводя температуру -300° во внешней части Солнечной системы.

С помощью спектроскопии исследователи смогли подтвердить точные условия, которые привели к фазовым изменениям в каждой смеси соединений, от газообразных форм до твердых льдов. Это исследование — редкая попытка точно воспроизвести внеземные условия на Земле, которая стала возможной только благодаря уникальному лабораторному пространству в NAU.

«Посылать физические миссии в такие места, как Плутон и Титан, чтобы изучить их поверхность, очень дорого, поэтому хорошо, что мы можем изучить поведение этих материалов в лабораторных условиях», — говорит Рапоса. «Однако здесь есть свои сложности, поскольку для изучения смесей при низких температурах нужна лабораторная установка, подобная нашей. Таких лабораторий не так уж много, и в результате было проведено очень мало исследований, посвященных изучению поведения этих материалов».

Когда смеси находились на уровне или ниже точки замерзания, жидкость, находящаяся под застывающим льдом, начинала лопаться и выпучиваться, что означало высвобождение скрытого тепла и скачок давления, превышающий прочность ограничивающего твердого тела.

Эта реакция может стать ответом на бесчисленные загадки взрывов в нашей Солнечной системе и за ее пределами — от ледяного или грязевого вулканизма на Марсе до впадин с острыми краями на поверхности Титана.

«При благоприятных условиях мы можем наблюдать эруптивные явления, вызванные охлаждением, как на ледяных, так и на скалистых мирах», — говорит Рапоса. «Вспышки, подобные тем, что мы наблюдали в лаборатории, могут служить альтернативным объяснением взрывных кратеров, обнаруженных в Сибири, и, возможно, гейзеров и шлейфов, обнаруженных на Европе, луне Юпитера, и Энцеладе, другой луне Сатурна».

Хотя магма и изнурительная жара, возможно, не являются заметными факторами на других планетарных телах, расположенных за миллиарды километров от нас, исследование Рапосы и Энгла гарантирует, что ученым не придется ставить крест на своих исследованиях.

Данные о том, как изменения температуры и давления влияют на соединения за пределами Земли, могут оказаться критически важными для создания точных моделей таких объектов, как Плутон и Титан, что в конечном итоге приведет к новым открытиям вокруг каждого астрономического объекта.

Благодаря ценным сведениям о термодинамике, полученным в ходе этого исследования, астрономы стали на шаг ближе к тому, чтобы перенести космические грохочущие гиганты Солнечной системы в наши земные лаборатории.

Исследование Рапосы и Энгл привносит новый взгляд на понимание взаимодействия химических соединений в экстремальных условиях. Учитывая, что многие из этих процессов происходят на удаленных планетах и лунах, их работа подчеркивает важность лабораторных исследований для расширения нашего знания о космосе. Они не только открывают новые горизонты в геофизике, но и ставят под сомнение традиционные представления о вулканической активности в холодных мирах.

Понимание механизмов, лежащих в основе этих «вспышек», может помочь объяснить явления, наблюдаемые на других небесных телах, таких как ураганы и гейзеры, возникающие в результате неожиданных изменений в составе льда или газа. Это открытие может оказать значительное влияние на будущие миссии по исследованию планет, позволяя ученым создавать более точные модели и предсказания поведения этих объектов.

По мере углубления исследований, подобные открытия могут также способствовать разработке технологий для будущих пилотируемых миссий на отдаленные миры, где понимание термодинамических процессов будет критически важным для обеспечения безопасности и успешности таких экспедиций.