Действительно ли Уран и Нептун являются ледяными планетами?
В течение многих лет астрономическое сообщество классифицировало Уран и Нептун как "ледяных гигантов". Считалось, что эти планеты состоят преимущественно из воды, аммиака и метана в твердом или сверхкритическом состоянии в окружении водородно-гелиевой атмосферы. Однако новое исследование ставит такую парадигму под сомнение, предполагая, что эти миры могут быть переполнены каменистыми породами, пишет Space.
Смотрите также Мы должны переписать учебники: James Webb нашел пару планет, которых не должно существовать
Группа исследователей под руководством Ванессы Рамирес и Ямилы Мигель из Лейденской обсерватории в Нидерландах провела масштабное моделирование внутренней структуры этих планет. Ученых вдохновили недавние открытия в транснептуновом регионе Солнечной системы. Оказалось, что объекты в поясе Койпера, такие как Плутон, кометы и другие малые тела, имеют значительно более высокое содержание каменистых пород, чем льда. Например, доля камня в составе Плутона составляет около 70 процентов.
Мы подумали: если эти объекты состоят преимущественно из камней, возможно, Уран и Нептун также?",
– прокомментировала Ямила Мигель, сотрудница Нидерландского института космических исследований.
Она добавила: результаты их работы свидетельствуют о том, что обе планеты имеют внешние оболочки, которые состоят преимущественно из камня, водорода и гелия. Это противоречит общепринятому мнению об их "ледяной" природе.
Для получения этих выводов команда использовала метод байесовского статистического вывода и компьютерный код CEPAM, оценив сотни тысяч потенциальных моделей внутренней структуры. Исследователи имитировали трехслойное строение планет: внешнюю оболочку (энвелоп), мантию и каменистое ядро. В процессе моделирования они учитывали гравитационные данные, полученные во время пролета зонда NASA "Вояджер-2" в 1980-х годах, а также современные наблюдения за спутниками планет.
Новая правда о планетах
Результаты, опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics, оказались поразительными: оболочки обеих планет на самом деле обогащены тугоплавкими материалами. Медианная доля камня в составе тяжелых элементов внешних слоев составляет примерно 60 процентов.
Однако на большой глубине планеты начинают демонстрировать существенные различия. Нептун имеет более "скалистую" мантию (около 55 процентов камня), тогда как мантия Урана является более ледяной (около 41 процента камня).
Такое расхождение может объясняться различными путями эволюции и аккреции планет. Например, более высокое содержание камня в Нептуне может быть следствием более эффективного поглощения планетезималей или результатом гигантских столкновений с другими космическими объектами в ранний период существования Солнечной системы.
Авторы работы подчеркивают, что текущая маркировка Урана и Нептуна как "ледяных" может быть обманчивой.
Нам действительно стоит изменить их классификацию, чтобы не вводить в заблуждение. Вместо "ледяных" или "каменистых" мы должны просто называть их малыми гигантами или чем-то подобным,
– предложила Ямила Мигель.
Как внутреннее строение Урана и Нептуна определяет их тепловой режим?
Один из выводов ученых заключается в том, что состав планеты непосредственно влияет на ее термодинамическую структуру через связь между плотностью и температурой. Модели, содержащие высокую долю камней во внешней оболочке, оказываются значительно плотнее. Из-за законов гидростатического равновесия такие плотные оболочки требуют значительно более холодных температурных профилей в глубоких слоях мантии.
Напротив, если планета состоит преимущественно изо льда (воды), она имеет меньшую внутреннюю плотность, что заставляет систему поддерживать значительно более высокую температуру для сохранения стабильности.
Разница в температурах между "каменистыми" и "ледяными" моделями является впечатляющей. Исследователи установили, что при условии доминирования воды в составе температура в недрах может быть на 1000 градусов Цельсия выше, чем в моделях с высоким содержанием камней.
Это имеет критическое значение для понимания физических процессов, происходящих в глубинах планет. Например, многие предыдущие исследования предполагали, что вода является единственным тяжелым компонентом в оболочках гигантов, что приводило к ошибочным выводам о чрезмерно горячих недрах.
Влияние состава на температуру также определяет электропроводность материалов и фазовые переходы в мантии. От того, насколько горячими являются внутренние слои, зависит эффективность и глубина действия планетарного динамо – механизма, генерирующего магнитные поля. Более холодные недра, обусловлены присутствием скальных пород, могут объяснить специфическую морфологию магнитных полей Урана и Нептуна, которая существенно отличается от полей Юпитера или Сатурна.
Кроме того, на температурный профиль влияет выбор так называемого уравнения состояния (EOS), которое описывает поведение вещества под экстремальным давлением. Использование различных моделей воды и камня показывает, что плотность вещества может меняться в зависимости от выбранной теоретической базы, что, опять же, корректирует финальные цифры внутреннего жара. Например, использование модели REOS для воды приводит к получению более плотных и, соответственно, более холодных результатов по сравнению с другими таблицами данных.
Важно отметить, что Уран и Нептун демонстрируют разные сценарии внутреннего тепла из-за различий в их эволюции. Как уже упомянуто выше, Нептун имеет более смешанный профиль, где камни могут доминировать над льдом даже в глубокой мантии, тогда как Уран сохранил более четкую стратификацию с более высоким содержанием водорода во внешних слоях. Это объясняет, почему эти две планеты, имея схожие массу и радиус, демонстрируют разные показатели теплового потока.
Смотрите также Ученые не знают, как это объяснить: крошечный объект за орбитой Нептуна имеет атмосферу
Почему это важно?
Это открытие имеет большое значение не только для нашей планетной системы, подытоживает 24 Канал. Уран и Нептун служат эталонами для изучения экзопланет подобного размера, которые составляют почти 40 процентов всех подтвержденных миров за пределами Солнечной системы. Понимание того, что каменистые породы могут быть распределены по всей планете, а не сосредоточены только в ядре, заставляет ученых пересмотреть модели формирования тысяч других миров в галактике.
Несмотря на значительный прогресс, исследователи подчеркивают необходимость отправки специализированной миссии с орбитальным аппаратом к Урану или Нептуну. Только прямые измерения гравитационного поля и атмосферы позволят окончательно разгадать тайну их состава и поставить точку в споре между "льдом" и "камнями".
Вам также будет интересно узнать: что мы вообще знаем об Уране и Нептуне
Уран и Нептун остаются одними из наименее исследованных крупных объектов Солнечной системы. Это две самые отдаленные планеты от Солнца, поскольку Плутон уже потерял этот статус. В отличие от Юпитера и Сатурна, которые преимущественно состоят из водорода и гелия, Уран и Нептун содержат значительно больше тяжелых элементов – аммиака и метана, говорится в исследовании на arXiv.
Стоит отметить, что когда мы говорим о льде, то это слово не означает обычный замерзший лед в земном понимании. Внутри этих планет царят настолько высокие давления и температуры, что вода, аммиак и метан находятся в очень экзотических состояниях – сверхкритических жидкостях или горячих плотных флюидах.
Устоявшееся представление об Уране и Нептуне заключается в том, что они имеют небольшое каменистое ядро, над которым располагается глубокий слой водно-аммиачно-метановой мантии, а сверху – атмосфера из водорода, гелия и метана. Именно метан поглощает красную часть света, из-за чего планеты имеют характерный голубой или синий цвет.
Несмотря на схожесть, между этими мирами есть заметные различия:
- Нептун более темный и активный. На нем наблюдаются чрезвычайно мощные ветры со скоростью более 1100 километров в час, а также большие атмосферные бури.
- Уран, наоборот, выглядит более спокойным и бледным. Одной из самых удивительных его особенностей является наклон оси вращения примерно на 98 градусов. Фактически планета "лежит на боку" и вращается почти горизонтально относительно плоскости орбиты, пишет NASA Science.
Уран стал первой планетой, открытой в современную телескопическую эпоху. Его 13 марта 1781 года обнаружил британский астроном Уильям Гершель. Сначала он считал объект кометой, но дальнейшие наблюдения показали, что это новая планета.
Нептун открыли позже – в 1846 году. Его существование предсказали математически из-за аномалий в движении Урана. Положение планеты вычислили независимо друг от друга Урбен Леверье и Джон Кауч Адамс, а непосредственно наблюдал Нептун немецкий астроном Иоганн Галле.
Какие миссии исследовали Уран и Нептун, есть ли планы будущих миссий к планетам
Несмотря на фундаментальное значение этих планет для понимания формирования Солнечной системы, человечество исследовало их только один раз вблизи. Единственным аппаратом, который посетил Уран и Нептун, стал космический зонд NASA Voyager 2, который стартовал в 1977 году и воспользовался редким расположением планет для серии гравитационных маневров. В январе 1986 года аппарат пролетел мимо Урана, а в августе 1989 года – мимо Нептуна.
Во время пролета возле Урана "Вояджер-2" открыл новые спутники и кольца, а также исследовал его странное магнитное поле, которое сильно смещено относительно оси вращения. Возле Нептуна аппарат обнаружил новые кольца, спутники и активную атмосферу. Особый интерес вызвал спутник Тритон, на котором зонд зафиксировал азотные криовулканы и чрезвычайно холодную поверхность.
После полетов "Вояджера-2" новых миссий к ледяным гигантам так и не запустили. Причина – огромное расстояние и сложность таких экспедиций. Полет к Урану может длиться более 10 лет, а к Нептуну – еще дольше. Поэтому NASA, ESA и другие агентства десятилетиями только обсуждали потенциальные проекты.
В последние годы интерес к этим планетам резко возрос. Ученые считают, что Уран и Нептун могут помочь объяснить формирование так называемых "мини-нептунов" – одного из самых распространенных типов экзопланет в галактике. Кроме того, некоторые спутники Урана могут скрывать подповерхностные океаны, что делает их потенциально интересными для астробиологии, говорится в исследовании на arXiv.
- NASA уже несколько лет рассматривает миссию Uranus Orbiter and Probe – орбитальный аппарат с атмосферным зондом для детального исследования Урана. Именно Уран сейчас считается главным кандидатом на следующую большую планетарную миссию агентства после программ к Марсу и спутникам Юпитера. Ученые хотят исследовать его атмосферу, внутреннюю структуру, магнитное поле, кольца и спутники. Отдельный зонд должен был бы погрузиться в атмосферу планеты и впервые выполнить прямые измерения ее состава.
- Для Нептуна также существуют концепции будущих экспедиций, в частности проекты Neptune Odyssey и Outer Solar System Mission. Они предусматривают изучение самой планеты, Тритона и объектов пояса Койпера. Но пока ни одна из этих миссий официально не утверждена к запуску.