Більше не крижані гіганти: Уран і Нептун можуть виявитися повними каміння

Чи насправді Уран і Нептун є крижаними планетами?

Протягом багатьох років астрономічна спільнота класифікувала Уран і Нептун як "крижаних гігантів". Вважалося, що ці планети складаються переважно з води, аміаку та метану у твердому чи надкритичному стані в оточенні воднево-гелієвої атмосфери. Проте нове дослідження ставить таку парадигму під сумнів, припускаючи, що ці світи можуть бути переповнені кам'янистими породами, пише Space.

Група дослідників під керівництвом Ванеси Рамірес та Яміли Мігель з Лейденської обсерваторії в Нідерландах провела масштабне моделювання внутрішньої структури цих планет. Вчених надихнули нещодавні відкриття в транснептуновому регіоні Сонячної системи. Виявилося, що об'єкти в поясі Койпера, такі як Плутон, комети та інші малі тіла, мають значно вищий вміст кам'янистих порід, ніж льоду. Наприклад, частка каменю в складі Плутона становить близько 70 відсотків.

Ми подумали: якщо ці об'єкти складаються переважно з каміння, можливо, Уран і Нептун також?",
– прокоментувала Яміла Мігель, співробітниця Нідерландського інституту космічних досліджень.

Вона додала: результати їхньої роботи свідчать про те, що обидві планети мають зовнішні оболонки, які складаються переважно з каменю, водню та гелію. Це суперечить загальноприйнятій думці про їхню "крижану" природу.

Для отримання цих висновків команда використала метод байєсівського статистичного виведення та комп'ютерний код CEPAM, оцінивши сотні тисяч потенційних моделей внутрішньої структури. Дослідники імітували тришарову будову планет: зовнішню оболонку (енвелоп), мантію та кам'янисте ядро. У процесі моделювання вони враховували гравітаційні дані, отримані під час прольоту зонда NASA "Вояджер-2" у 1980-х роках, а також сучасні спостереження за супутниками планет.

Нова правда про планети

Результати, опубліковані в журналі Astronomy & Astrophysics, виявилися вражаючими: оболонки обох планет насправді збагачені тугоплавкими матеріалами. Медіанна частка каменю у складі важких елементів зовнішніх шарів становить приблизно 60 відсотків.

Проте на великій глибині планети починають демонструвати суттєві відмінності. Нептун має більш "скелясту" мантію (близько 55 відсотків каменю), тоді як мантія Урана є більш крижаною (близько 41 відсотка каменю).

Така розбіжність може пояснюватися різними шляхами еволюції та акреції планет. Наприклад, вищий вміст каменю в Нептуні може бути наслідком ефективнішого поглинання планетезималей або результатом гігантських зіткнень з іншими космічними об'єктами в ранній період існування Сонячної системи.

Автори роботи підкреслюють, що поточне маркування Урана та Нептуна як "крижаних" може бути оманливим.

Нам дійсно варто змінити їхню класифікацію, щоб не вводити в оману. Замість "крижаних" або "кам'янистих" ми повинні просто називати їх малими гігантами або чимось подібним,
– запропонувала Яміла Мігель.

Як внутрішня будова Урана та Нептуна визначає їхній тепловий режим?

Один із висновків учених полягає в тому, що склад планети безпосередньо впливає на її термодинамічну структуру через зв'язок між щільністю та температурою. Моделі, що містять високу частку каміння в зовнішній оболонці, виявляються значно щільнішими. Через закони гідростатичної рівноваги такі щільні оболонки вимагають значно холодніших температурних профілів у глибоких шарах мантії.

Навпаки, якщо планета складається переважно з льоду (води), вона має меншу внутрішню щільність, що змушує систему підтримувати значно вищу температуру для збереження стабільності.

Різниця в температурах між "кам'янистими" та "крижаними" моделями є вражаючою. Дослідники встановили, що за умови домінування води в складі температура в надрах може бути на 1000 градусів Цельсія вищою, ніж у моделях із високим вмістом каміння.

Це має критичне значення для розуміння фізичних процесів, що відбуваються в глибинах планет. Наприклад, багато попередніх досліджень припускали, що вода є єдиним важким компонентом в оболонках гігантів, що призводило до помилкових висновків про надмірно гарячі надра.

Вплив складу на температуру також визначає електропровідність матеріалів та фазові переходи в мантії. Від того, наскільки гарячими є внутрішні шари, залежить ефективність та глибина дії планетарного динамо – механізму, що генерує магнітні поля. Більш холодні надра, зумовлені присутністю скельних порід, можуть пояснити специфічну морфологію магнітних полів Урана та Нептуна, яка суттєво відрізняється від полів Юпітера чи Сатурна.

Крім того, на температурний профіль впливає вибір так званого рівняння стану (EOS), яке описує поведінку речовини під екстремальним тиском. Використання різних моделей води та каменю показує, що щільність речовини може змінюватися залежно від обраної теоретичної бази, що, знову ж таки, коригує фінальні цифри внутрішнього жару. Наприклад, використання моделі REOS для води призводить до отримання більш щільних і, відповідно, холодніших результатів порівняно з іншими таблицями даних.

Важливо відзначити, що Уран і Нептун демонструють різні сценарії внутрішнього тепла через відмінності в їхній еволюції. Як уже згадано вище, Нептун має більш змішаний профіль, де каміння може домінувати над льодом навіть у глибокій мантії, тоді як Уран зберіг більш чітку стратифікацію з вищим вмістом водню в зовнішніх шарах. Це пояснює, чому ці дві планети, маючи схожі масу та радіус, демонструють різні показники теплового потоку.

Чому це важливо?

Це відкриття має велике значення не лише для нашої планетної системи, підсумовує 24 Канал. Уран і Нептун слугують еталонами для вивчення екзопланет подібного розміру, які становлять майже 40 відсотків усіх підтверджених світів поза межами Сонячної системи. Розуміння того, що кам'янисті породи можуть бути розподілені по всій планеті, а не зосереджені лише в ядрі, змушує вчених переглянути моделі формування тисяч інших світів у галактиці.

Попри значний прогрес, дослідники наголошують на необхідності відправки спеціалізованої місії з орбітальним апаратом до Урана або Нептуна. Тільки прямі вимірювання гравітаційного поля та атмосфери дозволять остаточно розгадати таємницю їхнього складу й поставити крапку в суперечці між "льодом" і "камінням".

Вам також буде цікаво дізнатися: що ми взагалі знаємо про Уран і Нептун

Уран та Нептун залишаються одними з найменш досліджених великих об'єктів Сонячної системи. Це дві найвіддаленіші планети від Сонця, оскільки Плутон уже втратив цей статус. На відміну від Юпітера і Сатурна, які переважно складаються з водню та гелію, Уран і Нептун містять значно більше важких елементів – аміаку та метану, йдеться в дослідженні на arXiv.

Варто зазначити, що коли ми говоримо про лід, то це слово не означає звичайний замерзлий лід у земному розумінні. Усередині цих планет панують настільки високі тиски й температури, що вода, аміак і метан перебувають у дуже екзотичних станах – надкритичних рідинах або гарячих щільних флюїдах.

Усталене уявлення про Уран і Нептун полягає в тому, що вони мають невелике кам'янисте ядро, над яким розташовується глибокий шар водно-аміачно-метанової мантії, а зверху – атмосфера з водню, гелію та метану. Саме метан поглинає червону частину світла, через що планети мають характерний блакитний або синій колір.

Попри схожість, між цими світами є помітні відмінності:

• Нептун темніший і активніший. На ньому спостерігаються надзвичайно потужні вітри зі швидкістю понад 1100 кілометрів на годину, а також великі атмосферні бурі.
• Уран, навпаки, виглядає спокійнішим і блідішим. Однією з найдивніших його особливостей є нахил осі обертання приблизно на 98 градусів. Фактично планета "лежить на боці" й обертається майже горизонтально відносно площини орбіти, пише NASA Science.

Уран став першою планетою, відкритою в сучасну телескопічну епоху. Його 13 березня 1781 року виявив британський астроном Вільям Гершель. Спочатку він вважав об'єкт кометою, але подальші спостереження показали, що це нова планета.

Нептун відкрили пізніше – у 1846 році. Його існування передбачили математично через аномалії в русі Урана. Положення планети обчислили незалежно один від одного Урбен Левер'є та Джон Кауч Адамс, а безпосередньо спостерігав Нептун німецький астроном Йоганн Галле.

Які місії досліджували Уран і Нептун, чи є плани майбутніх місій до планет

Попри фундаментальне значення цих планет для розуміння формування Сонячної системи, людство досліджувало їх лише один раз зблизька. Єдиним апаратом, який відвідав Уран і Нептун, став космічний зонд NASA Voyager 2, який стартував у 1977 році та скористався рідкісним розташуванням планет для серії гравітаційних маневрів. У січні 1986 року апарат пролетів повз Уран, а в серпні 1989 року – повз Нептун.

Під час прольоту біля Урана "Вояджер-2" відкрив нові супутники й кільця, а також дослідив його дивне магнітне поле, яке сильно зміщене відносно осі обертання. Біля Нептуна апарат виявив нові кільця, супутники та активну атмосферу. Особливий інтерес викликав супутник Тритон, на якому зонд зафіксував азотні кріовулкани та надзвичайно холодну поверхню.

Після польотів "Вояджера-2" нових місій до крижаних гігантів так і не запустили. Причина – величезна відстань і складність таких експедицій. Політ до Урана може тривати понад 10 років, а до Нептуна – ще довше. Через це NASA, ESA та інші агентства десятиліттями лише обговорювали потенційні проєкти.

Останніми роками інтерес до цих планет різко зріс. Науковці вважають, що Уран і Нептун можуть допомогти пояснити формування так званих "міні-нептунів" – одного з найпоширеніших типів екзопланет у галактиці. Крім того, деякі супутники Урана можуть приховувати підповерхневі океани, що робить їх потенційно цікавими для астробіології, йдеться у дослідженні на arXiv.

• NASA уже кілька років розглядає місію Uranus Orbiter and Probe – орбітальний апарат із атмосферним зондом для детального дослідження Урана. Саме Уран зараз вважається головним кандидатом на наступну велику планетарну місію агентства після програм до Марса та супутників Юпітера. Учені хочуть дослідити його атмосферу, внутрішню структуру, магнітне поле, кільця та супутники. Окремий зонд мав би зануритися в атмосферу планети та вперше виконати прямі вимірювання її складу.
• Для Нептуна також існують концепції майбутніх експедицій, зокрема проєкти Neptune Odyssey та Outer Solar System Mission. Вони передбачають вивчення самої планети, Тритона та об'єктів поясу Койпера. Але наразі жодна з цих місій офіційно не затверджена до запуску.