Вчені дають відповідь, що ховається під поверхнею Урана та Нептуна

Алмазний дощ і суперіонна вода є одними з найбільш драматичних теорій, запропонованих для пояснення таємничих надр Урана і Нептуна, крижаних гігантів нашої Сонячної системи.  Проте вчений-планетолог з Каліфорнійського університету в Берклі запропонував переконливу альтернативу: внутрішність цих планет складається з шарів, причому речовини розділяються, як нафта і вода.  Це поділ могло б пояснити незвичайні магнітні поля планет і поставити під сумнів попередні теорії про їх внутрішність.

Багатошарова модель для крижаних велетнів

У статті, опублікованій в Proceedings of the National Academy of Sciences, Буркхард Мілітцер, професор науки про Землю та планети в Каліфорнійському університеті в Берклі, припускає, що Уран і Нептун мають внутрішні частини, що складаються з двох різних шарів. Під густою воднево-гелієвою атмосферою планет лежить глибокий океан багатого водою матеріалу над сильно стисненою, багатою вуглеводнями рідиною, що складається з вуглецю, азоту та водню.

Комп’ютерне моделювання Мілітцера показує, що під екстремальним тиском і температурами всередині цих планет вода (H₂O), метан (CH₄) і аміак (NH3) розділяються природним шляхом. Це розділення відбувається тому, що водень вичавлюється з метану та аміаку, що призводить до утворення незмішуваних шарів.

«Тепер ми маємо, я б сказав, гарну теорію, чому Уран і Нептун мають дійсно різні поля, і вони дуже відрізняються від Землі, Юпітера та Сатурна», — пояснив Мілітцер. «Це як нафта і вода, за винятком того, що багатий воднем шар йде зверху, а важчий матеріал залишається внизу».

Магнітні поля і конвекція

Теорія надає потенційне пояснення нерегулярним магнітним полям Урана і Нептуна, які були відкриті місією НАСА «Вояджер-2» у 1980-х роках. На відміну від сильного диполярного магнітного поля Землі, яке є результатом конвекції в рідкому зовнішньому ядрі планети, Уран і Нептун мають дезорганізовані магнітні поля.

Конвекція, процес, при якому гарячий матеріал піднімається, а більш холодний опускається, створює магнітні поля в надрах планет. Для Урана і Нептуна відсутність великомасштабного конвекційного шару в їхсередині свідчить про те, що матеріали всередині шаруваті і не змішуються.

У моделі Мілітцера верхній насичений водою шар, ймовірно, конвектує, створюючи спостережуване дезорганізоване магнітне поле, тоді як більш глибокий, багатий вуглеводнями шар залишається стабільним і стратифікованим, запобігаючи глобальній конвекції.

Екстремальні умови Урана і Нептуна 

Прорив Мілітцера стався після десятиліття досліджень. Десять років тому він використав комп’ютерні моделі зі 100 атомами, щоб змоделювати поведінку елементів у надрах планет, але не зміг відтворити формування шарів. Минулого року, використовуючи машинне навчання та потужніші обчислювальні інструменти, він збільшив кількість атомів у своїй моделі до 540. 

Це дозволило йому змоделювати поведінку матеріалів під екстремальним тиском і температурами всередині Урана та Нептуна – до 3,4 мільйона разів атмосферного тиску Землі та температур близько 4750 Кельвінів (8000°F).

«Одного дня я подивився на модель і побачив, що вода відокремилася від вуглецю та азоту», — сказав Мілітцер. «Те, що я не міг зробити 10 років тому, сталося зараз».

Модель показала, що коли тиск зростає з глибиною, водень видавлюється, утворюючи стабільний шар матеріалу вуглець-азот-водень, майже як пластиковий полімер. Цей багатий вуглеводнями шар лежить під конвекційним шаром, багатим водою.

Гравітаційні поля, виміряні Вояджером-2 

Коли Мілітцер змоделював гравітаційні ефекти багаторівневих Урану та Нептуна, результати збіглися з гравітаційними полями, виміряними Вояджером-2 майже 40 років тому. Його модель передбачає, що під атмосферою Урана товщиною 3000 миль лежить насичений водою шар товщиною близько 5000 миль.  Під цим шаром знаходиться насичений вуглеводнями шар подібної товщини з скелястим ядром розміром приблизно з Меркурій. Нептун, хоч і масивніший за Уран, має тоншу атмосферу, але подібні багаті водою та вуглеводнями шари. Його скелясте ядро ​​трохи більше, приблизно розміром з Марс.

Наслідки для екзопланет

Якщо теорія Мілітцера правильна, вона має наслідки за межами нашої Сонячної системи.  Планети, схожі за розміром на Уран і Нептун, які часто називають субнептуновими екзопланетами, належать до найпоширеніших типів планет, виявлених навколо інших зірок. Ці екзопланети також можуть мати шаруваті внутрішні частини з відмінним хімічним складом і магнітними полями.

«Якщо інші зоряні системи мають подібний склад до нашої, крижані гіганти навколо цих зірок цілком можуть мати подібні внутрішні структури», — зазначив Мілітцер.

Інтер’єри Урана і Нептуна 

Мілітцер сподівається співпрацювати з фізиками-експериментаторами, щоб відтворити екстремальні умови всередині Урана і Нептуна в лабораторних умовах.  Випробовуючи поведінку рідин із елементарними пропорціями, знайденими в протосонячній системі, дослідники могли перевірити, чи природним чином утворюються шари, що не змішуються.

Майбутні космічні місії також можуть надати остаточний доказ. Запропонована місія НАСА на Уран може включати допплерівську камеру для вимірювання коливань планет.  За словами Мілітцера, шарувата планета буде вібрувати на різних частотах, ніж планета з повністю конвекційним внутрішнім середовищем. Його наступний проект передбачає обчислення цих коливань за допомогою його обчислювальної моделі.

Особливості Урана і Нептуна 

Відкриття Мілітцера кидають виклик популярним теоріям про Уран і Нептун, таким як ідея алмазного дощу в надрах планет або екзотичні властивості суперіонної води.

«Якщо ви запитаєте моїх колег: «Що, на вашу думку, пояснює поля Урана і Нептуна?» вони можуть сказати: «Ну, можливо, це цей алмазний дощ, але, можливо, це властивість води, яку ми називаємо суперіонною», — сказав Мілітцер.  «З моєї точки зору, це неправдоподібно. Але якщо ми маємо цей поділ на два окремих шари, це повинно пояснити це».

Багаторівнева модель Мілітцера пропонує вичерпне пояснення особливостей Урана та Нептуна, від їхніх магнітних полів до гравітаційних сигнатур. Визначаючи поділ багатих водою і багатих вуглеводнями шарів як ключовий фактор, дослідження покращує наше розуміння крижаних гігантів і відкриває нові можливості для дослідження надр планети. Майбутні лабораторні експерименти та космічні місії можуть підтвердити ці висновки, не лише проливши світло на таємниці Урана та Нептуна, але й надаючи розуміння структури подібних планет по всій галактиці.