Долгие годы мы считали, что знаем, что скрывается в туманных глубинах Урана и Нептуна – ледяные миры из затвердевших газов. Но последние исследования бросают вызов этому устоявшемуся порядку. Учёные заявляют: загадочные планеты-гиганты на краю Солнечной системы могут оказаться вовсе не ледяными, а каменными, а их странные магнитные поля – ключ к пониманию бурлящих недр, полных неразгаданных тайн.
На самых дальних рубежах нашей Солнечной системы, в царстве вечного холода и полумрака, вращаются два самых загадочных мира – Уран и Нептун. Их лазурные и аквамариновые диски, увиденные в телескоп, выглядят спокойными и безмятежными. Астрономы классифицировали их как «ледяных гигантов», представляя себе планеты, чьи недра состоят в основном из экзотических форм затвердевших воды, метана и аммиака под чудовищным давлением. Но что, если наше представление о них – всего лишь удобная иллюзия, проистекающая из невероятной удалённости и скудности данных? Новое революционное исследование, проведённое учёными из Цюрихского университета и Национального центра компетенций в области исследований планет, разбивает эту ледяную скорлупу привычных знаний, предлагая нам заглянуть в потенциально «каменную» природу этих миров.
Исторически картина мироздания была такой: рядом с Солнцем – каменистые, твёрдые планеты земной группы; за «снеговой линией», где вода замерзает, – царство газовых гигантов Юпитера и Сатурна; а на самой окраине – ледяные гиганты Уран и Нептун, состоящие из летучих элементов. Эта классификация десятилетиями кочевала из учебника в учебник. Однако её фундамент всегда был шатким. Уран и Нептун – наименее изученные планеты нашей системы. Лишь один земной посланец, «Вояджер-2», ненадолго навестил их в 1986 и 1989 годах, отправив на Землю мизерную, по меркам современной науки, порцию данных. Всё остальное – домыслы, теоретические модели и предположения, втиснутые в узкие рамки доступной информации.
Именно эту парадигму и решили сломать исследователи Лука Морф и профессор Равит Хеллед. Они отказались от традиционного подхода, который либо опирается на перегруженные допущениями физические модели, либо на слишком упрощённые эмпирические схемы. Их метод можно назвать «научным агностицизмом». Вместо того чтобы задавать модели конкретный состав («здесь будет слой льда, здесь – каменное ядро»), они создали уникальный процесс компьютерного моделирования.
Учёные построили тысячи случайных, но физически возможных профилей внутренней плотности для Урана и Нептуна. Каждый такой профиль – это предположение о том, как может быть распределено вещество внутри планеты. Затем для каждого варианта они вычисляли, какое гравитационное поле породила бы такая структура. После этого начинался процесс сравнения с реальностью: только те модели, которые точно соответствовали известным данным о гравитации и форме планет, полученным от «Вояджера-2», признавались жизнеспособными. Результаты этого масштабного цифрового эксперимента оказались ошеломляющими.
Оказалось, что модели, которые идеально согласуются с наблюдаемыми данными, вовсе не обязательно требуют от планет быть «ледяными». Более того, они вполне допускают, что Уран и Нептун могут иметь преимущественно каменное ядро, окружённое относительно тонкой оболочкой из летучих веществ. Иными словами, они могут быть больше похожи на гигантские, раздутые версии планет земной группы, нежели на своих собратьев-гигантов Юпитера и Сатурна.
Снимок Урана, его колец и атмосферы, полученный в ближнем инфракрасном диапазоне камерой NIRCam космического телескопа Джеймс Уэбб.NASA, ESA, CSA, STScI.
«Классификация ледяных гигантов чрезмерно упрощена, – прямо заявляет Лука Морф. – Уран и Нептун до сих пор плохо изучены… Мы объединили оба подхода, чтобы получить модели внутреннего строения, которые являются одновременно "агностическими" или непредвзятыми и при этом физически непротиворечивыми».
Эта гипотеза находит неожиданное косвенное подтверждение в данных с окраин системы. Космический телескоп «Хаббл» и миссия «Новые горизонты» к Плутону показали, что тот, находясь ещё дальше, состоит примерно на 70% из камня и металла. Почему же более массивные и близкие к Солнцу Уран и Нептун должны быть кардинально иными? Возможно, они – не аномалия, а закономерное звено в цепочке формирования планет, где доля каменного материала гораздо выше, чем считалось.
Но самые интригующие выводы исследования касаются самой странной особенности этих планет – их причудливых магнитных полей. Если у Земли магнитное поле похоже на поле дипольного магнита (с двумя чётко выраженными полюсами), а у Юпитера и Сатурна оно хоть и сложное, но тоже близко к диполярному, то Уран и Нептун – настоящие «бунтари». Их магнитные полюса смещены относительно географических на десятки градусов, смещены от центра планеты, и само поле имеет сложную, многополюсную структуру, напоминающую хаотические силовые линии.
Новая модель предлагает элегантное объяснение этой загадке. Исследователи предполагают, что в недрах планет, на определённой глубине, могут существовать особые слои – «ионные воды» (superionic water). Это экзотическое состояние вещества, при котором ионы кислорода образуют твёрдую кристаллическую решётку, а протоны (ядра водорода) свободно текут сквозь неё, как электроны в металле. Такая среда обладает высокой электропроводностью и, находясь в движении, способна генерировать мощные и сложные магнитные поля именно в тех конфигурациях, которые мы наблюдаем.
«Мы впервые выдвинули эту гипотезу почти 15 лет назад, и теперь у нас есть численная модель, позволяющая её продемонстрировать, – говорит профессор Равит Хеллед. – В наших моделях присутствуют так называемые "ионные водные" слои, которые генерируют магнитные динамо-эффекты в местах, объясняющих наблюдаемые недипольные магнитные поля. Мы также обнаружили, что магнитное поле Урана имеет более глубокий источник, чем у Нептуна».
Это открытие рисует перед нами картину динамичных, живых недр. Конвекция – перемещение вещества за счёт разницы температур – может происходить в этих слоях, подобно медленному кипению в планетарном масштабе. Это не статичные ледяные глыбы, а миры с активной, хотя и скрытой от глаз, внутренней жизнью.
Снимок Нептуна, его колец и спутников, полученный в ближнем инфракрасном диапазоне камерой NIRCam космического телескопа Джеймс Уэбб.IMAGE: NASA, ESA, CSA, STScI IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI).
Естественно, авторы подчёркивают: их модель – не истина в последней инстанции, а новый, более гибкий инструмент для понимания. «И Уран, и Нептун могут быть каменистыми или ледяными гигантами, в зависимости от допущений модели. Имеющихся данных пока недостаточно для того, чтобы различить их», – констатирует Хеллед. Именно в этом и заключается главный итог работы: она обнажает наше фундаментальное неведение. Мы стоим перед развилкой, и чтобы выбрать верный путь, нужны новые данные.
Вывод исследователей однозначен: необходимы специализированные миссии к Урану и Нептуну. Орбитальные аппараты, способные годами изучать их гравитацию, магнитосферу, состав атмосферы и, возможно, даже сбросить в их непроглядную голубую глубину зонды. Только так мы сможем раскрыть истинную природу этих загадочных стражей границ нашей звёздной системы.
Новые результаты ставят под сомнение не только классификацию планет, но и наши представления о процессах формирования Солнечной системы. Они заставляют задуматься: а что мы на самом деле знаем о мирах за орбитой Сатурна? Возможно, их тайны – каменное сердце, скрытое под ледяной маской, и бурлящие магнитные динамо – лишь первые намёки на то, что наша космическая родная система куда сложнее и удивительнее, чем мы осмеливались предположить.
