В недрах субнептунов — планет, которых в Галактике больше всего, но на которых нельзя стоять — силикатная магма и водород смешиваются в один сверхкритический коктейль. Раньше считалось, что под плотной водородной атмосферой лежит чёткая граница с расплавленным силикатом, как масло над водой. Теперь расчёты показали, что при давлениях и температурах недр эти два слоя полностью растворяются друг в друге. Получается не слоёный пирог, а однородный напиток, где водород — не пассивный разбавитель, а активный ингредиент, меняющий сам рецепт силикатного коктейля.

Чтобы описать свойства этого коктейля, исследователи смоделировали ячейку из 243 атомов — 27 магния, 27 кремния, 81 кислорода и 108 водорода. Это состав MgSiO3H4, где водород составляет 3,86% массы. Сначала расплавили кристаллический силикат, затем добавили водород. Расчёты вели при температурах 4000, 6000 и 8000 К и давлениях до ~600 ГПа — это примерно в шесть миллионов раз больше атмосферного. Полученные данные аппроксимировали единой термодинамической поверхностью, из которой извлекли плотность, энтропию, теплоёмкость, тепловое расширение, модуль объёмного сжатия и параметр Грюнайзена.

Результат удивил: сверхкритическая жидкость MgSiO3H4 оказалась менее плотной, чем сухой силикатный расплав, при всех исследованных условиях. Отклонение от идеального смешения объёмов MgSiO3 и H2 достигает нескольких процентов и растёт с давлением. Анализ структуры показал, что с ростом давления координационное число Si–H увеличивается, а количество устойчивых связей H–H резко падает. При 4000 К и давлении около 340 ГПа лишь один из десяти атомов водорода сохраняет связь с другим водородом дольше 100 фемтосекунд — остальные уже встроены в силикатную сеть. Это переход от молекулярного водорода к более атомарному, встроенному в силикатный каркас.

Применение уравнения состояния к моделям субнептунов массой 6 масс Земли с одинаковым общим запасом водорода 4% показало, что всё зависит от давления на границе атмосфера–недра. Если эта граница на глубине с давлением 1 ГПа, радиус планеты один. Если 5 ГПа — радиус меняется на 5,7%. Это не мелочь: для планеты радиусом 20 000 км разница составит более 1000 км. Распределение водорода между атмосферой и недрами напрямую влияет на радиус планеты и её тепловое состояние.

До этой работы было неясно, насколько сильно растворённый водород меняет плотность и тепловые свойства силикатной магмы в недрах субнептунов. Теперь есть количественное уравнение состояния, показывающее, что плотность падает на несколько процентов по сравнению с сухим силикатом, а смешение сильно неидеально. Уже сегодня можно подставлять это уравнение состояния в модели внутреннего строения субнептунов для более точной интерпретации наблюдаемых масс и радиусов. Водород оказался не пассивным разбавителем, а активным ингредиентом, меняющим сам рецепт силикатного коктейля.