Тайны ледяных гигантов: новые данные раскрывают каменные сердца Урана и Нептуна
Новая вычислительная модель предполагает, что недра Урана и Нептуна могут иметь гораздо более каменистую природу, чем считалось ранее, — что ставит под вопрос сам термин «ледяные гиганты» для этих планет.
Исследование, опубликованное 10 декабря в журнале Astronomy & Astrophysics, также может помочь объяснить загадочное магнитное поле этих планет.
Уран и Нептун — относительно крупные планеты на окраине Солнечной системы; Нептун является самой удалённой планетой, находясь в среднем в 4,5 миллиардах километров от Солнца. Экстремально низкие температуры на таком расстоянии приводят к конденсации таких газов, как водород, гелий и вода, в сжатые ледяные «суспензии», формирующие ядра планет. Именно поэтому их и стали называть ледяными гигантами.
«Классификация «ледяные гиганты» слишком упрощена, поскольку Уран и Нептун всё ещё плохо изучены», — заявил ведущий автор исследования Лука Морф, аспирант Цюрихского университета.
Новая модель далёких миров
Морф и его научный руководитель Равит Хеллед разработали новую гибридную модель, чтобы лучше понять внутреннее строение этих холодных планет. Модели, основанные только на физике, сильно зависят от предположений исследователя, а наблюдательные модели могут быть слишком упрощёнными, пояснил Морф. «Мы объединили оба подхода, чтобы получить модели внутреннего строения, которые одновременно были бы и объективными, и физически последовательными», — сказал он.
Исследователи начали с рассмотрения того, как плотность ядра каждой планеты может меняться с расстоянием от её центра, а затем скорректировали модель с учётом гравитационных полей планет. На основе этого они вывели температуру и состав ядра и создали новый профиль плотности. Команда ввела новые параметры плотности обратно в модель и повторяла этот процесс до тех пор, пока смоделированное ядро не стало полностью соответствовать текущим наблюдательным данным.
Этот метод позволил сгенерировать в общей сложности восемь возможных вариантов ядер для Урана и Нептуна, три из которых имели высокое соотношение каменных пород к воде. Это показывает, что недра Урана и Нептуна не ограничиваются льдом, как считалось ранее, заявили исследователи.
Все смоделированные ядра имели конвективные области, где чистая вода существует в ионной фазе. Именно здесь экстремальные температуры и давление заставляют молекулы воды распадаться на заряженные протоны (H⁺) и гидроксид-ионы (OH⁻). Команда полагает, что такие слои могут быть источником множественных магнитных полей планет, из-за которых Уран и Нептун имеют более двух полюсов. Модель также предполагает, что магнитное поле Урана генерируется ближе к его центру, чем у Нептуна.
«Одна из главных проблем заключается в том, что физики до сих пор плохо понимают, как материалы ведут себя в экзотических условиях [высокого] давления и температуры, существующих в сердцевине планеты, и это может повлиять на наши результаты», — отметил Морф. Команда планирует усовершенствовать модель, включив в неё другие молекулы, такие как метан и аммиак, которые также могут присутствовать в ядрах.
«И Уран, и Нептун могут быть как каменными, так и ледяными гигантами в зависимости от допущений модели», — сказала Хеллед. Она отметила, что большая часть наших представлений об этих планетах может быть неполной, поскольку они в значительной степени основаны на данных, собранных космическим зондом «Вояджер-2» в 1980-х годах.
«Текущих данных недостаточно, чтобы различить эти два варианта, и поэтому нам нужны специальные миссии к Урану и Нептуну, которые смогут раскрыть их истинную природу», — добавила Хеллед.
Команда надеется, что эта модель может стать объективным инструментом для анализа любых новых данных от будущих космических миссий к этим загадочным мирам.
Это открытие переворачивает наши представления о формировании Солнечной системы. Если ядра этих гигантов действительно каменистые, это означает, что они могли сформироваться гораздо ближе к Солнцу, в «каменной» части протопланетного диска, а затем мигрировать на свои нынешние окраинные орбиты. Такая миграция планет-гигантов могла кардинально повлиять на архитектуру всей планетной системы, включая судьбу внутренних планет, и проливает свет на общие закономерности планетообразования во Вселенной.
