Уран и Нептун могут быть каменистыми гигантами

Группа исследователей из Цюрихского университета и NCCR PlanetS бросает вызов нашему пониманию внутреннего строения планет Солнечной системы. Состав Урана и Нептуна, двух самых удаленных планет, может быть более каменистым и менее ледяным, чем считалось ранее.

Планеты Солнечной системы обычно делят на три категории в зависимости от их состава: четыре каменистые планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), затем два газовых гиганта (Юпитер и Сатурн) и, наконец, два ледяных гиганта (Уран и Нептун). Согласно исследованию, проведённому научной группой из Университета Лозанны, Уран и Нептун могут быть скорее каменистыми, чем ледяными.

Новое исследование, опубликованное в журнале Astronomy & Astrophysics, не утверждает, что две голу планеты относятся к тому или иному типу, богатому водой или камнями, а скорее ставит под сомнение тот факт, что они могут быть богаты только льдом. Эта интерпретация также согласуется с открытием того, что карликовая планета Плутон состоит в основном из камней.

Команда разработала уникальную модель внутреннего строения Урана и Нептуна. «Классификация ледяных гигантов слишком упрощена, поскольку Уран и Нептун до сих пор плохо изучены, — объясняет Лука Морф, аспирант Цюрихского университета и ведущий автор исследования. — Модели, основанные на физике содержат слишком много допущений, а эмпирические модели слишком упрощены». Мы объединили оба подхода, чтобы получить внутренние модели, которые являются одновременно «агностическими» или непредвзятыми и при этом физически непротиворечивыми.

Для этого они сначала создают случайный профиль плотности недр планеты. Затем они рассчитывают гравитационное поле планеты, которое соответствует данным наблюдений, и определяют возможный состав. Наконец, процесс повторяется, чтобы добиться наилучшего соответствия между моделями и данными наблюдений.

Совершенно новый спектр возможностей
С помощью своей новой агностической, но при этом полностью физической модели команда Цюрихского университета обнаружила, что потенциальный внутренний состав «ледяных гигантов» нашей Солнечной системы вовсе не ограничивается льдом (обычно в виде воды).

«Мы впервые предположили это почти 15 лет назад, а теперь у нас есть численные данные, чтобы это продемонстрировать», — рассказывает Равит Хеллед, профессор Цюрихского университета и инициатор проекта. Новый диапазон внутреннего состава показывает, что обе планеты могут быть богаты либо водой, либо горными породами.

Исследование также позволяет по-новому взглянуть на загадочные магнитные поля Урана и Нептуна. В то время как у Земли есть чёткие северный и южный магнитные полюса, магнитные поля Урана и Нептуна более сложные и имеют более двух полюсов.

«В наших моделях есть так называемые ионные водные слои, которые генерируют магнитные динамо в местах, объясняющих наблюдаемые недипольные магнитные поля. Мы также обнаружили, что магнитное поле Урана зарождается глубже, чем поле Нептуна», — объясняет Хеллед.

Необходимость в новых космических миссиях
Несмотря на многообещающие результаты, сохраняется некоторая неопределённость. «Одна из главных проблем заключается в том, что физики до сих пор плохо понимают, как ведут себя материалы в экстремальных условиях давления и температуры, характерных для недр планеты. Это может повлиять на наши результаты», — говорит Лука Морф, который планирует в будущем расширить модели.

Несмотря на неопределённость, новые результаты также открывают путь к новым потенциальным сценариям внутреннего строения планет, бросая вызов предположениям десятилетней давности и направляя будущие исследования в области материаловедения в плане изучения условий на планетах. «И Уран, и Нептун могут быть каменными гигантами или ледяными гигантами в зависимости от модельных предположений. Текущих данных недостаточно, чтобы отличить одно от другого, поэтому нам нужны специальные миссии на Уран и Нептун, которые смогут раскрыть их истинную природу», — заключает Хеллед.