Ключ к разгадке того, что скрывается под облаками Урана и Нептуна

Планетологи выдвинули много предположений относительно того, что находится под плотными, голубоватыми, водородно-гелиевыми атмосферами Урана и Нептуна — уникальных, но внешне безликих ледяных гигантов нашей Солнечной системы.

Ученый-планетолог из Калифорнийского университета в Беркли теперь предложил новую теорию — что внутренности обеих этих планет слоисты, и что эти слои, как нефть и вода, не смешиваются. Такая конфигурация объясняет необычные магнитные поля планет и подразумевает, что более ранние теории вряд ли верны.

В статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, Буркхард Милитцер утверждает, что глубокий океан из воды находится прямо под слоями облаков, а под ним — сильно сжатая жидкость из углерода, азота и водорода. Компьютерное моделирование показывает, что при температурах и давлениях недр планет сочетание воды (H₂O), метана (CH₃) и аммиака (NH₃) естественным образом разделилось бы на два слоя, в первую очередь потому, что водород был бы выдавлен из метана и аммиака, которые составляют большую часть глубоких недр.

Эти несмешивающиеся слои объясняют, почему ни Уран, ни Нептун не имеют магнитного поля, подобного земному. Это было одно из удивительных открытий о ледяных гигантах нашей солнечной системы, сделанных миссией Voyager 2 в конце 1980-х годов.

«Теперь у нас есть, я бы сказал, хорошая теория, почему у Урана и Нептуна действительно разные поля, и это сильно отличается от полей Земли, Юпитера и Сатурна», — сказал Буркхард Милитцер, профессор наук о Земле и планетах в Калифорнийском университете в Беркли. «Раньше мы этого не знали. Это как нефть и вода, только нефть опускается ниже, потому что теряется водород».

Если другие системы имеют состав, аналогичный нашему, говорит Милитцер, ледяные гиганты возле других звезд вполне могут иметь схожие внутренние структуры. Планеты размером с Уран и Нептун — так называемые субнептуновые планеты — являются одними из самых распространенных экзопланет, обнаруженных на сегодняшний день.

Конвекция приводит к появлению магнитных полей

По мере того, как планета остывает от атмосферы по направлению вниз, холодный и плотный материал опускается, в то время как капли более горячей жидкости поднимаются, как кипящая вода — процесс, называемый конвекцией.

Если внутренняя часть является электропроводящей, толстый слой конвективного материала будет генерировать дипольное магнитное поле, подобное полю стержневого магнита. Дипольное поле Земли, созданное ее жидким внешним железным ядром, создает магнитное поле, которое петляет от Северного полюса до Южного полюса и является причиной того, что компасы указывают на полюса.

Но Voyager 2 обнаружил, что ни один из двух ледяных гигантов не имеет такого дипольного поля, а есть только неорганизованные магнитные поля. Это означает, что нет конвективного движения материала в глубоких недрах планет.

Чтобы объяснить эти наблюдения, две отдельные исследовательские группы предположили более 20 лет назад, что планеты должны иметь слои, которые не могут смешиваться, тем самым предотвращая крупномасштабную конвекцию и глобальное дипольное магнитное поле. Однако конвекция в одном из слоев может создавать неорганизованное магнитное поле. Но ни одна из групп не смогла объяснить, из чего состоят эти несмешивающиеся слои.

Десять лет назад Милитцер неоднократно пытался решить эту проблему, используя компьютерное моделирование около 100 атомов с пропорциями углерода, кислорода, азота и водорода, отражающими известный состав элементов в ранней солнечной системе. При давлениях и температурах, предсказанных для недр планет — в 3,4 миллиона раз больше атмосферного давления Земли и 4750 Кельвинов соответственно — он не мог найти способ формирования слоев.

Однако в прошлом году с помощью машинного обучения ему удалось запустить компьютерную модель, имитирующую поведение 540 атомов, и, к своему удивлению, он обнаружил, что слои естественным образом образуются при нагревании и сжатии атомов.

«Я не мог бы открыть это, не имея большой системы атомов, а большую систему я не мог смоделировать 10 лет назад», — говорит Буркхард Милитцер.

Количество выдавленного водорода увеличивается с давлением и глубиной, образуя устойчиво стратифицированный слой углерода-азота-водорода, почти как пластиковый полимер, сказал он. В то время как верхний, богатый водой слой, вероятно, конвектирует, создавая наблюдаемое неорганизованное магнитное поле, более глубокий, стратифицированный, богатый углеводородами слой этого не может.

Когда он смоделировал гравитацию, создаваемую слоистыми планетами Уран и Нептун, гравитационные поля совпали с теми, которые были измерены «Вояджером-2» почти 40 лет назад.

«Если вы спросите моих коллег: «Как вы думаете, что объясняет поля Урана и Нептуна?», они могут сказать: «Ну, может быть, это алмазный дождь, а может быть, это свойство воды, которое мы называем суперионным», — сказал он. «С моей точки зрения, это неправдоподобно. Но если у нас есть это разделение на два отдельных слоя, это должно все объяснить».

Планетолог предсказывает, что под атмосферой Урана толщиной около 5000 км находится богатый водой слой толщиной около 8000 км, а под ним — богатый углеводородами слой, также толщиной около 8000 км. Его каменное ядро ​​примерно размером с планету Меркурий.

Хотя Нептун массивнее Урана, он меньше в диаметре, с более тонкой атмосферой, но такими же толстыми слоями, богатыми водой и углеводородами. Его каменное ядро ​​немного больше, чем у Урана, примерно размером с Марс.

Ученые надеется работать с коллегами, которые могут проверить с помощью лабораторных экспериментов при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, образуются ли слои в жидкостях с пропорциями элементов, обнаруженными в протосолнечной системе. Предложенная миссия НАСА к Урану также могла бы предоставить подтверждение, если бы на борту космического аппарата был доплеровский визуализатор для измерения вибраций планеты. Слоистая планета будет вибрировать на других частотах, чем конвективная планета, сказал Милитцер. Его следующий проект — использовать свою вычислительную модель для расчета того, как будут отличаться планетарные вибрации.