Мы не знаем, из чего состоят Уран и Нептун: ледяные гиганты могут оказаться каменными

В астрономии за Ураном и Нептуном закрепился термин «ледяные гиганты». Считается, что в отличие от газовых гигантов Юпитера и Сатурна, эти планеты состоят в основном из так называемых «льдов» — смеси воды, метана и аммиака. Однако новое исследование астрофизиков из Цюрихского университета показывает, что это определение может быть ошибочным. Согласно их расчетам, эти планеты могут состоять преимущественно из камня, что требует пересмотра теорий их происхождения.

Проблема отсутствия данных

Наши знания о строении Урана и Нептуна базируются на данных сорокалетней давности. Единственный раз их посещал космический аппарат «Вояджер-2» в конце 1980-х годов. Ученые располагают точными сведениями только о массе планет, их размере и характеристиках гравитационного поля.

Этих данных недостаточно, чтобы однозначно определить состав недр. В физике планет существует проблема неопределенности: одну и ту же массу и гравитационное поле можно получить, смешивая разные материалы в разных пропорциях. Предыдущие модели обходили эту проблему, вводя искусственные ограничения. Они предполагали, что планеты имеют четкую трехслойную структуру: небольшое каменное ядро, толстая оболочка из льдов и тонкая атмосфера из водорода и гелия. Но это было лишь удобным допущением, а не доказанным фактом.

Моделирование без предубеждений

Швейцарские исследователи применили новый метод — «агностическое моделирование». Они отказались от заранее заданной структуры слоев. Вместо этого компьютерный алгоритм генерировал миллионы случайных вариантов распределения плотности внутри планеты.

Каждый вариант проходил проверку на соответствие фундаментальным законам физики и реальным данным наблюдений:

1. Давление внутри планеты должно уравновешивать силу тяжести.
2. Свойства веществ (воды, камня, газов) при экстремальном давлении должны соответствовать законам термодинамики.
3. Итоговая модель должна точно совпадать с гравитационной картой, полученной «Вояджером».

Камень вместо воды

Результаты показали, что внутреннее строение этих планет может быть гораздо более разнообразным, чем считалось ранее. Алгоритм нашел множество физически корректных решений, в которых Уран и Нептун содержат значительно больше скальных пород, чем льда.

В некоторых моделях Урана масса каменистых пород превышает массу воды почти в четыре раза. Для Нептуна возможны варианты, где камня почти в два раза больше, чем воды. Это означает, что термин «ледяной гигант» может не соответствовать действительности. Возможно, это гигантские каменные миры, которые на этапе формирования успели притянуть мощную газовую оболочку, но так и не накопили достаточно льда.

Объяснение магнитных полей

Новые расчеты также объясняют странное поведение магнитных полей этих планет. У Урана и Нептуна магнитные полюса сильно смещены относительно географических и наклонены под большими углами.

Моделирование показало, что во всех реалистичных сценариях внутри планет существуют обширные зоны, где вода находится в ионном состоянии (под огромным давлением она начинает проводить электричество). Именно движение электропроводящей жидкости в этих зонах генерирует нестандартные магнитные поля.

При этом выявлено важное различие:

• Уран, вероятно, имеет структуру, где перемешивание вещества затруднено. Наличие стабильных, неподвижных слоев блокирует выход тепла из ядра, что объясняет, почему Уран такой холодный.
• Нептун, напротив, имеет активные зоны перемешивания (конвекции) по всему объему, что позволяет ему интенсивно отдавать внутреннее тепло в космос.

Зачем это нужно?

Это открытие важно не только в рамках Солнечной системы. Астрономы находят множество экзопланет с массой Нептуна у других звезд. До сих пор их состав оценивали, опираясь на наши представления об Уране и Нептуне как о «ледяных» мирах. Если же наши собственные планеты окажутся каменными, это заставит пересмотреть выводы о составе тысяч других миров в Галактике.

Исследование подводит итог теоретическим изысканиям: с имеющимися данными мы больше не можем уточнить состав этих планет. Математика допускает как «ледяной», так и «каменный» сценарии. Чтобы разрешить эту неопределенность, необходима новая космическая миссия, которая выйдет на орбиту Урана или Нептуна и проведет более точные измерения.

Источник: Astronomy & Astrophysics