Физики оценили потери атмосферы землеподобных планет в столкновениях с другими телами
Физики провели 259 трехмерных симуляций столкновения пары твердых планетоподобных тел околоземной массы и получили функцию, которая приближенно связывает параметры таких соударений с долей теряемой атмосферы. По словам авторов, этот результат можно будет встраивать в модели образования планет и использовать для анализа сценариев ударного формирования Луны на основе данных об истории атмосферы Земли. Работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters.
Считается, что землеподобные планеты образуются из десятков планетезималей, которые рождаются из протопланетного диска и сталкиваются друг с другом. Одно из таких столкновений, в частности, могло привести к образованию Луны из молодой Земли и гипотетической планеты Тейя.
Среди последствий соударений можно выделить потерю газовой оболочки (полную или частичную) небесного тела — это событие может повлиять на итоговый состав атмосферы планеты и, предположительно, частично объяснить наблюдаемые различия в составах атмосфер похожих планет в одной и той же системе. Тем не менее характер такого влияния окончательно не изучен — до недавнего времени исследования в основном останавливались на одномерных моделях, которые, кроме того, ограничивались лобовым столкновениям или рассматривали слишком малое число сценариев для построения прогнозов в широком диапазоне параметров.
Ученые из Великобритании и США под руководством Джейкоба Кегеррейса (Jacob Kegerreis) из английского Института вычислительной космологии смоделировали столкновения, подобные тому, в котором могла образоваться Луна, и проследили за влиянием таких ударов на потерю атмосферы. В качестве цели и налетающего тела выступали шаровидные объекты, содержащие железное ядро (на которое приходилось 30 процентов массы) и мантию из горных пород (несущую остальные 70 процентов массы). В некоторых симуляциях также участвовали однородные тела (полностью железные или каменистые).
Объект-цель (а в ряде случаев и налетающее тело) дополнительно обладал атмосферой, масса которой составляла сотую долю от общей массы ядра и мантии. Для анализа поведения атмосферы в высоком разрешении ученые использовали трехмерные симуляции в высоком разрешении на основе уравнений гравитации и гидродинамики. В них участвовало по 10 миллионов атмосферных частиц в расчете на одну массу Земли в случаях с крупными массами сталкивающихся тел и на 10–0,5 (около 0,316) масс Земли — в случаях с менее массивными участниками соударения.
Всего исследователи провели 259 симуляций, которые разделили на основные три группы. В первом наборе сценариев масса цели и налетающего объекта менялись в диапазоне 10–1,25–100,25 (то есть 0,056–1,778) масс Земли. По скорости случаи делились на медленные — в них относительная скорость налетающего тела была равна взаимной второй космической скорости системы (то есть той, которая необходима каждому из тел, чтобы преодолеть тяготение другого), и быстрые — в них налетающее тело двигалось втрое быстрее. Кроме того, ученые моделировали ситуации лобового столкновения — когда налетающее тело двигалось по направлению на центр цели, и задевающего, в котором прицельный параметр составлял долю в 0,7 от суммы радиусов тел.
Во второй группе симуляций для подмножества пар цель–налетающее тело физики подробнее исследовали зависимость результата от относительной скорости налетающего тела (были добавлены сценарии с промежуточным значением, в которых она вдвое превышала взаимную вторую космическую скорость) и от прицельного параметра (дополнительно к 0 и 70 процентам исследовались значения в 30, 50 и 90 процентов от суммы радиусов).
В третьем наборе сценариев при фиксированных массе цели (одна масса Земли), прицельном параметре (70 процентов суммы радиусов) и скорости (утроенная взаимная вторая космическая) авторы заменяли один или оба объекта на однородные (полностью каменные или полностью железные) тела такой же массы.
По итогам каждой из симуляций авторы вычисляли долю атмосферы, которую небесное тело теряет в результате столкновения, а затем исследовали зависимость этого числа от менявшихся параметров модели — прицельного параметра, скорости налетающего тела, масс и плотностей цели и налетающего тела.
В результате ученые смогли приближенно представить потерянную долю атмосферы в виде степенной функции, которая зависит от отношения скорости налетающего тела ко второй космической скорости, отношения массы налетающего тела к полной массе системы, отношения плотностей тел и доли взаимодействующей (непосредственно участвующей в соударении) массы, зависящей от прицельного параметра. По словам авторов, в будущих исследованиях обнаруженные закономерности можно будет встраивать в уже существующие модели формирования планет.
Кроме того, физики отметили, что в наиболее близких к различным версиям образования Луны сценариях протоземля могла потерять порядка 10–60 процентов атмосферы. В дальнейшем с помощью этих прогнозов, вероятно, можно будет уточнить модели формирования спутника на основе данных об истории земной атмосферы.
Ранее мы рассказывали о том, как компьютерное моделирование «взрывного» рождения Луны объяснило схожесть ее изотопного состава с земным и как ученые смогли воспроизвести наблюдаемое наклонение орбиты спутника к экватору Земли в таком сценарии.
Николай Мартыненко
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.