Уран и Нептун уже десятилетиями считаются ледяными гигантами — классом планет, отличным от газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Это объясняется тем, что в составе их внутренних слоёв учёные предполагают присутствие большого количества летучих веществ (так называемых «льдов»), таких как вода, аммиак и метан, в плотных и горячих состояниях под атмосферой. Однако последние научные модели показывают, что традиционное представление о составе этих планет может быть неполным или упрощённым.
Новые модели внутреннего строения
Команда исследователей из Цюрихского университета (University of Zurich) вместе с учёными из Национального центра компетенции в области планетных исследований (NCCR PlanetS) разработала новую методику моделирования внутренней структуры Урана и Нептуна, которая расширяет диапазон возможных сочетаний материалов внутри этих планет. В отличие от прежних моделей, основанных преимущественно на предположениях о значительной доле льдов, новая модель позволяет рассматривать варианты, где основная масса планеты может быть представлена породами — «твердым» материалом, ближе к скале и металлам, а не только льдом.
Моделирование включало многократное построение плотностных профилей, после чего данные сравнивались с наблюдательными параметрами планет, такими как их гравитационные характеристики и моменты, измеренные космическими аппаратами. Анализ больших наборов моделируемых профилей позволил установить, что вариант «скального гиганта» — планеты с большим удельным содержанием плотных материалов — не противоречит текущим наблюдениям.
Почему Уран и Нептун традиционно называют «ледяными»
В астрономии термин «ледяные гиганты» применяется к планетам, которые содержат большие количества веществ тяжелее водорода и гелия, таких как вода, аммиак и метан. Эти вещества при низких температурах, характерных для внешних областей Солнечной системы, находятся в твёрдом или полутвёрдом (т.н. «ледяном») состоянии, что исторически отличает Уран и Нептун от типов планет с доминирующим водородом и гелием.
Однако внутри этих планет эти легкоплавкие компоненты находятся в сверхкритических состояниях под огромным давлением, и фактически речь идёт не о привычном льду, а о плотной смеси элементов, проводящей электричество и влияющей на генерацию магнитного поля.
Новые результаты и их значение
Согласно исследованию, лучшее соответствие наблюдательным данным не требует исключительно «ледяной» модели состава. Внутренности Урана и Нептуна при определённых предположениях могут быть богаты более плотными материалами — скалами и металлами в больших пропорциях. Это означает, что:
- Планеты могли накопить гораздо больше твёрдого материала при формировании, чем принято считать;
- Различные сочетания воды и «скальных» компонентов могут объяснять особенности магнитных полей, наблюдаемых у этих планет;
- Теория формирования планет за пределами Солнечной системы, где встречаются похожие объекты средней массы, может потребовать пересмотра.
Модели также допускают, что зоны с «ионной водой» (особая форма плотного состояния воды под высоким давлением) могут играть важную роль в генерации магнитного поля, которое у Урана и Нептуна имеет сложную структуру с множеством полюсов, а не простой диполь, как у Земли.
Ограничения современных данных
Несмотря на новые результаты, учёные подчёркивают, что текущие наблюдательные данные не позволяют однозначно определить внутреннюю структуру этих планет. Нынешние модели соответствуют измерениям, но сильно зависят от физико-химических предположений о поведении материалов при экстремальных давлениях и температурах внутри планет. Без прямых измерений или более точных данных эти предположения остаются не проверенными.
Таким образом, в научной среде всё ещё нет окончательного ответа на вопрос, где именно проходит грань между тем, что условно можно назвать «ледяным» и «каменным» планетным гигантом.
Почему нужны новые миссии
Учёные отмечают, что будущие космические миссии к Урану и Нептуну могли бы существенно уточнить состав их внутренних слоёв. Ключевыми измерениями станут:
- более точные гравитационные и магнитные карты;
- данные о фазовых переходах материалов под высокими давлениями;
- спектроскопические исследования состава облаков и атмосферы на глубинах, недоступных текущим инструментам.
Только такие наблюдения позволят раз и навсегда определить, насколько «ледяны» или «скальны» эти планеты на самом деле и более точно понять историю их формирования в ранней Солнечной системе.
Важность результатов
Переосмысление внутренней природы Урана и Нептуна имеет значение не только для Солнечной системы, но и для астрономии в целом. Планеты средней массы, подобные «ледяным гигантам», являются частыми находками в других звёздных системах. Понимание того, из чего они состоят и как формируются, помогает:
- сопоставлять наблюдаемые экзопланеты с теоретическими моделями;
- уточнять механизмы аккреции и дифференциации материалов в протопланетных дисках;
- развивать физику планетных магнитных полей и тепловой эволюции.
Вывод
Новое исследование демонстрирует, что традиционные модели внутреннего состава Урана и Нептуна как исключительно «ледяных» планет нуждаются в пересмотре. По крайней мере некоторые конфигурации с более высоким содержанием плотных материалов, в том числе скал и металлов, сопоставимы с наблюдаемыми характеристиками планет. Однако окончательные ответы потребуют как новых данных, так и, возможно, специализированных миссий к этим отдалённым мирам, которые остаются среди наименее изученных объектов в нашей Солнечной системе.
Источники:
Статья создана по материалам https://www.universetoday.com/articles/uranus-and-neptune-might-be-rock-giants
