Новое исследование, проведённое аспиранткой Шаэлин Рапосой и недавней выпускницей NAU Анной Энгл, проливает свет на явление, которое может объяснить некоторые из самых загадочных взрывов во внешней Солнечной системе. Их исследование, опубликованное в журнале Journal of Geophysical Research: Planets, сосредоточено на материалах, найденных на ледяных ледниках Плутона и озёрах Титана, крупнейшего спутника Сатурна.
Исследователи первоначально намеревались изучить, как соединения, существующие на Земле в виде газов, ведут себя при температурах ниже нуля. Однако они были удивлены, когда холодные условия в Лаборатории астрофизических материалов Уэтто привели к резким скачкам давления и небольшим взрывам, когда химические смеси начали замерзать. Это событие исследователи окрестили «вспышкой».
«Эти выбросы происходят при охлаждении смеси, подобно последствиям, которые возникают, когда газированная вода слишком долго находится в морозильной камере. Однако, когда речь идёт о геологических извержениях, мы думаем о них как о последствиях нагревания чего-либо, например, вулканов. В обоих случаях изменение температуры вызывает изменение давления, но мы не ожидали увидеть скачок давления после того, как наши смеси замерзнут», — объяснила Рапоса.
В ходе исследования, завершённого в 2023 году, Рапоса и Энгл создали смеси с различными уровнями азота, этана, оксида углерода или метана — все эти соединения встречаются в жидкой форме на Плутоне и Титане — и ввели их в ячейки для образцов из алюминиевого сплава. Затем эти ячейки охлаждались в гелиевом холодильнике и контролировались с помощью двух нихромовых нагревателей, воспроизводя температуру -300° внешней Солнечной системы.
Используя спектроскопию, исследователи смогли подтвердить точные условия, которые привели к фазовым изменениям в каждой смеси соединений, от газообразных форм до твёрдых льдов. Это исследование было редкой попыткой точно воспроизвести внеземные условия на Земле, что стало возможным благодаря лабораторному пространству в NAU.
«Отправлять миссии в такие места, как Плутон и Титан, для изучения поверхности обходится дорого, поэтому приятно иметь возможность изучать, как эти материалы ведут себя в лабораторных условиях. Однако есть трудности, поскольку нужна лабораторная установка, похожая на нашу, разработанная для изучения смесей при низких температурах. Таких существует не так много, и в результате было проведено очень мало исследований, изучающих поведение этих материалов», — сказала Рапоса.
Источник: NASA/JPL/Caltech/Space Science Institute/University of Nantes/University of Arizona
Когда смеси достигли точки замерзания или ниже её, жидкость, находящаяся под затвердевающим льдом, начала лопаться и раздуваться, что знаменовало высвобождение тепла и скачок давления, который превзошёл прочность ограничивающего твёрдого тела.
Эта реакция может стать ответом на загадки о Солнечной системе и за её пределами: от ледяного или грязевого вулканизма на Марсе до острых впадин на поверхности Титана.
«При правильных условиях мы могли бы увидеть извержения, вызванные охлаждением как на ледяных, так и на каменистых объектах. Вспышки, подобные тем, что мы наблюдали в лаборатории, могут дать альтернативные объяснения кратерам взрывов, обнаруженным в Сибири, и, возможно, гейзерам и шлейфам, обнаруженным на Европе, спутнике Юпитера, и Энцеладе, спутнике Сатурна», — сказала Рапоса.
Данные о том, как изменения температуры и давления влияют на соединения за пределами Земли, могут оказаться важными для создания точных моделей таких объектов, как Плутон и Титан, что приведёт к новым открытиям, связанным с каждым астрономическими объектами. Благодаря знаниям в области термодинамики, полученным в ходе этого исследования, астрономы стали на шаг ближе к возможности увидеть космические гиганты Солнечной системы в земных лабораториях.