Уран и Нептун могут быть океанами расплавленной магмы

Группа планетологов из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, работающая с данными моделирования внутреннего строения Урана и Нептуна, представила результаты, которые ставят под сомнение привычное прозвище этих миров — ледяные гиганты. Ученые обнаружили, что под водородно-гелиевыми атмосферами обеих планет, вопреки устоявшимся представлениям, находится не твердая ледяная мантия из воды, аммиака и метана, а обширный магматический океан из силикатов, железа и растворенных газов. Препринт работы опубликован на сервере arXiv и направлен в рецензируемый журнал Astrophysical Journal.

Уран и Нептун долгое время остаются слепыми пятнами в нашей планетарной семье. Их единственное близкое знакомство с человеческой техникой состоялось еще в конце прошлого века, когда «Вояджер-2» пролетел мимо них в 1986 и 1989 годах. С тех пор ни один аппарат не возвращался к этим планетам, и все наши знания о них — это плоды наземных наблюдений, интерферометрии и, главным образом, компьютерных симуляций.

Именно поэтому каждое новое теоретическое исследование, способное изменить устоявшиеся догмы, воспринимается с особым вниманием. И нынешняя работа ученых из UCLA как раз из таких: она предлагает взглянуть на внутреннее устройство этих планет под совершенно иным углом, отказавшись от десятилетиями используемого ярлыка «ледяные гиганты».

Традиционная модель, кочующая из учебника в учебник, рисует следующую картину: сравнительно тонкая атмосфера из водорода и гелия, под которой скрывается гигантская мантия из так называемых льдов — замерзших или сверхкритических воды, аммиака и метана. Еще глубже предполагается каменистое ядро. Эта схема прекрасно объясняла общую плотность и некоторые спектральные характеристики планет, но оставляла без ответа ключевые аномалии.

В частности, магнитные поля Урана и Нептуна ведут себя странно: они сильно смещены относительно оси вращения и не имеют четкой дипольной структуры, как у Земли или Юпитера. Кроме того, тепловой поток от Нептуна значительно превышает то, что он получает от Солнца, а Уран, наоборот, излучает почти столько же, сколько поглощает, что указывает на совершенно разную внутреннюю динамику. Все эти загадки десятилетиями висели в воздухе, и новая работа предлагает им элегантное, хотя и радикальное, объяснение.

Авторы исследования провели серию многокомпонентных гидродинамических и термохимических симуляций, в которых они отказались от разделения на ледяную мантию и каменное ядро в классическом понимании. Вместо этого они допустили, что при колоссальных давлениях и температурах, царящих в недрах этих планет, граница между силикатными породами, металлами и летучими веществами становится размытой.

В результате их модели показали, что под верхним атмосферным слоем существует переходная область — сложный пограничный слой из водорода, гелия, паров магния и монооксида кремния. А ниже простирается уже не твердый лед и не расплавленная порода по отдельности, а единый магматический океан, кипящая смесь силикатов, железа и растворенного водорода. Этот океан находится в состоянии постоянной конвекции, которая, по мнению авторов, как раз и порождает те хаотичные магнитные поля, которые зафиксировал «Вояджер». Более того, именно этот слой служит своего рода буфером, регулирующим перенос тепла из глубины к атмосфере, что позволяет объяснить разницу в тепловом балансе двух планет.

Особую ценность этой гипотезе придает ее связь с экзопланетной наукой. Как выяснилось за последние годы, самый распространенный тип планет в нашей Галактике — это субнептуны, объекты с радиусом от одного до четырех с половиной земных. В Солнечной системе таких планет нет, и все наши представления о них строятся именно на аналогиях с Ураном и Нептуном.

Если же последние на самом деле имеют не ледяные мантии, а магматические океаны, то это автоматически меняет и модели формирования субнептунов: их атмосферная химия, процессы потери газа и взаимодействие с родительской звездой могут быть гораздо более тесно связаны с состоянием силикатной магмы, чем считалось ранее. Другими словами, ледяные гиганты и горячие субнептуны, вопреки прежним предположениям, могут иметь общую геохимическую природу, что резко упрощает поиск общих закономерностей для сотен уже открытых далеких миров.

Разумеется, предложенная модель лишь одна из многих, и она пока не подтверждена прямыми измерениями. Никаких новых миссий к Урану или Нептуну в ближайшее время не запланировано, хотя концепции орбитальных аппаратов со спускаемыми зондами (вроде UOP к Урану) уже прорабатываются. Авторы работы и сами подчеркивают, что их сценарий успешно воспроизводит наблюдаемые параметры, но не является единственно возможным.

Однако его главная сила в том, что он предлагает внутренне непротиворечивую картину, объединяющую магнитные аномалии, тепловую эволюцию и экзопланетные аналогии, и при этом не требует экзотических фазовых переходов, которые плохо поддаются лабораторной проверке.

В итоге исследование из UCLA может заставить пересмотреть сам смысл слова «лед» применительно к гигантским планетам. Вероятно, привычное прозвище Урана и Нептуна обязано уступить место более точному термину, например, «планеты с магматическим океаном» или «гибридные газово-силикатные планеты». Окончательный ответ, как это часто бывает в планетологии, сможет дать только новая космическая миссия, но пока что теоретики уверенно заявляют: вода и метан там если и есть, то в виде не твердого льда, а критических флюидов, перемешанных с расплавленной каменной породой, а сам лед как структурная единица внутреннего строения, скорее всего, просто иллюзия, порожденная недостатком данных.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях