Непохожие близнецы: Уран и Нептун могли родиться в разных уголках Солнечной системы

Международная группа ученых, косвенно изучив глубины атмосфер Урана и Нептуна, обнаружила существенное различие в химическом составе этих планет: Нептун, по-видимому, значительно богаче кислородом, чем Уран. Результаты исследования, опубликованного в журнале Astronomy & Astrophysics, позволяют предположить, что два ледяных гиганта могли сформироваться в разных регионах Солнечной системы, что ставит под сомнение привычную идею об их общем происхождении.

Уран и Нептун — самые загадочные планеты Солнечной системы. Единственным аппаратом, который когда-либо пролетал мимо них, был «Вояджер-2»: в 1986 году он посетил Уран, а в 1989-м — Нептун. С тех пор эти миры остаются во многом terra incognita, хотя их изучение критически важно для планетологии. Дело в том, что планеты сопоставимого размера составляют больше половины из примерно шести тысяч экзопланет, известных на сегодняшний день. Понимание того, как образовались Уран и Нептун, помогает ученым разобраться в устройстве множества далеких миров.

Главная трудность состоит в том, что глубокие слои атмосфер этих планет недоступны для прямого наблюдения: их скрывают многочисленные последовательные облачные слои. Чтобы заглянуть под видимую поверхность, исследователи ищут косвенные индикаторы состава. Одним из таких индикаторов оказался оксид углерода (CO). Он образуется или присутствует в глубоких слоях атмосферы и может переноситься через облачные слои на высоты, доступные для наблюдения. Концентрация этого вещества служит своеобразным окном в регионы, расположенные далеко под видимыми облаками.

В новой работе международная команда исследователей объединила численные модели, описывающие химию и перенос веществ в атмосфере, с недавними наблюдениями монооксида углерода, в частности данными, полученными с помощью интерферометра ALMA. Такой подход позволил определить соотношение содержания углерода и кислорода (C/O) в глубинах Урана и Нептуна. Это соотношение представляет собой химический отпечаток материала, из которого сформировались планеты.

Как и предполагалось в предыдущих работах, Нептун оказался заметно богаче кислородом, чем Уран. В сочетании с содержанием углерода эта разница дает более низкие значения отношения C/O на Нептуне, хотя диапазоны возможных значений у двух планет частично перекрываются. Объяснить такую разницу трудно, если считать, что обе планеты образовались из материалов одинакового состава в схожей области газово-пылевого диска, окружавшего молодое Солнце.

Сравнив результаты с моделью химической эволюции древней Солнечной системы, ученые показали, что Уран и Нептун, возможно, имели разные истории формирования. Уран, вероятно, сформировался относительно далеко от Солнца, вблизи своей нынешней орбиты. Нептун же, возможно, изначально появился ближе к Солнцу, в области, где твердые вещества были более обогащены кислородом, а затем мигрировал на свою текущую орбиту. Однако совместное формирование и движение этих планет в пределах Солнечной системы еще предстоит выяснить.

Новые результаты пока не позволяют окончательно восстановить историю двух планет. Главным источником неопределенности остается вертикальная циркуляция в их глубоких атмосферах. Для более точного определения состава глубинных слоев и проверки предложенных сценариев нужны новые наблюдения. Помочь здесь могла бы исследовательская миссия, посвященная ледяным гигантам, — например, концепция орбитального аппарата и зонда Урана (UOP). Она позволила бы глубже проникнуть в тайны происхождения этих все еще во многом неизвестных миров.

В итоге исследование показало, что Уран и Нептун, которых часто называют близнецами, вероятно, не являются таковыми: Нептун заметно богаче кислородом, и это указывает на разные регионы формирования двух планет. Хотя окончательные выводы делать рано, работа ставит под сомнение идею общего происхождения ледяных гигантов и намечает путь для будущих миссий, которые смогут заглянуть в их глубины.