Уран и Нептун играли чужую роль: внутри планет нашли сценарий, к которому никто не был готов

Уран и Нептун могут содержать больше горных пород — Astronomy & Astrophysics

Два самых удалённых гиганта Солнечной системы вновь поставили под сомнение устоявшиеся научные классификации. Новые расчёты показывают, что внутреннее строение Урана и Нептуна может быть значительно сложнее и менее "ледяным", чем предполагалось ранее. Эти выводы меняют взгляд на формирование планет за орбитой Сатурна. Об этом сообщает журнал Astronomy & Astrophysics.

Почему привычное деление планет оказалось под вопросом

Планеты Солнечной системы традиционно делят на три типа по составу. Каменистые миры земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — состоят в основном из силикатов и металлов. Газовые гиганты Юпитер и Сатурн представляют собой массивные оболочки водорода и гелия с относительно небольшими ядрами. Уран и Нептун долгое время относили к ледяным гигантам, предполагая, что их недра богаты водой, аммиаком и метаном.

Однако такая схема во многом опирается на ограниченные данные. Уран и Нептун остаются наименее изученными крупными планетами: единственный близкий пролёт был выполнен "Вояджером-2" в конце XX века. Большая часть информации о их внутреннем строении получена косвенно — через измерения массы, радиуса, гравитационных коэффициентов и магнитных полей.

Интерес к этим планетам усиливается ещё и потому, что они играют ключевую роль в эволюции внешних областей Солнечной системы, включая структуру пояса Койпера и распределение орбит далеких ледяных тел.

Новый подход к моделированию недр планет

Чтобы выйти за рамки упрощённых представлений, команда исследователей из Цюрихского университета разработала комбинированный метод моделирования внутренней структуры Урана и Нептуна. Он объединяет физические законы и статистический подход, позволяя анализировать широкий диапазон возможных сценариев без заранее заданных предположений о составе планет.

"Классификация ледяных гигантов слишком упрощена, поскольку Уран и Нептун до сих пор плохо изучены. Модели, основанные на физических законах, слишком сложны, а эмпирические модели — слишком упрощены. Мы объединили оба подхода, чтобы получить внутренние модели", — говорит аспирант Лука Морф из Цюрихского университета.

Моделирование начинается со случайного выбора профиля плотности. Для каждого варианта рассчитывается гравитационное поле, после чего результаты сравниваются с наблюдательными данными. Процедура повторяется тысячи раз, пока не удаётся выделить наиболее правдоподобные модели внутреннего устройства.

Лёд больше не единственное объяснение

Результаты показали, что во внутреннем строении Урана и Нептуна вовсе не обязательно должен доминировать лёд, традиционно представляемый в виде воды. Возможны сценарии, при которых значительную часть массы составляют горные породы, а распределение материалов заметно отличается от классических схем.

"Мы впервые предположили это почти 15 лет назад, а теперь у нас есть численные данные, чтобы это продемонстрировать", — отмечает профессор Равит Хеллед из Цюрихского университета.

Эти выводы хорошо согласуются с более широкими наблюдениями за телами внешней Солнечной системы. Всё чаще оказывается, что даже удалённые и холодные объекты могут иметь существенную каменистую составляющую, а граница между "ледяными" и "каменистыми" мирами не столь чётка.

Магнитные поля как ключ к пониманию недр

Отдельное внимание в исследовании уделено магнитным полям Урана и Нептуна, которые давно считаются одними из самых необычных. В отличие от Земли, их магнитные поля имеют сложную геометрию, несколько полюсов и смещённые источники генерации.

"В наших моделях есть так называемые слои ионной воды, которые генерируют магнитные динамо в местах, объясняющих наблюдаемые недипольные магнитные поля. Мы также обнаружили, что магнитное поле Урана зарождается глубже, чем у Нептуна", — поясняет Равит Хеллед.

Такие слои могут возникать при экстремальных давлениях и температурах и играть ключевую роль в формировании магнитосферы планеты. Это помогает связать данные о плотности, составе и магнитных свойствах в единую картину.

Ограничения моделей и нерешённые вопросы

Несмотря на прогресс, неопределённость остаётся значительной. Поведение веществ в условиях, которые существуют в недрах гигантских планет, до конца не изучено и плохо воспроизводится в лабораториях.

"Одна из главных проблем заключается в том, что физики всё ещё с трудом понимают, как материалы ведут себя в экзотических условиях давления и температуры, обнаруженных в сердце планеты, и это может повлиять на наши результаты", — говорит Лука Морф.

Поэтому выводы исследования нельзя считать окончательными — они задают диапазон возможных сценариев, а не единственный ответ.

Почему без новых миссий не обойтись

Авторы подчёркивают, что для окончательных выводов необходимы новые автоматические миссии к Урану и Нептуну. Современные данные не позволяют уверенно определить, какие материалы преобладают в их недрах и как именно устроены их внутренние слои.

Новые измерения гравитации, магнитных полей и состава атмосферы помогли бы не только понять природу этих планет, но и уточнить общую картину эволюции планетных систем. Это особенно важно на фоне того, что движение Солнечной системы и её динамика оказываются сложнее, чем предполагалось ранее.

"И Уран, и Нептун могут быть каменистыми или ледяными гигантами в зависимости от предположений модели. Текущих данных недостаточно, чтобы отличить одно от другого, поэтому нам нужны специальные миссии на Уран и Нептун, которые смогут раскрыть их истинную природу", — заключает Равит Хеллед.

Сравнение: ледяные и газовые гиганты

Юпитер и Сатурн отличаются массивными оболочками из водорода и гелия и сравнительно компактными ядрами. Уран и Нептун, напротив, содержат больше тяжёлых элементов, но их точное соотношение до сих пор остаётся предметом дискуссий.

Новые модели показывают, что даже между двумя ледяными гигантами могут существовать принципиальные различия. Один из них может быть богаче каменистым материалом, другой — слоями, ответственными за сложную магнитную структуру.

Плюсы и минусы нового подхода

Предложенный метод позволяет отказаться от жёстких допущений и рассматривать широкий спектр внутренних структур. Он расширяет возможности планетологии и помогает интерпретировать данные об экзопланетах схожего размера. В то же время точность таких моделей всё ещё ограничена уровнем знаний о физике экстремальных состояний вещества.