В ходе поиска экзопланет мы обнаружили, что многие из них относятся к определенным типам или категориям, например, «Горячие Юпитеры», «Суперземли» и «Ледяные гиганты». Хотя в нашей Солнечной системе нет примеров первых двух, у нас есть два ледяных гиганта: Уран и Нептун. Это газовые планеты среднего размера, образовавшиеся в холодных внешних регионах Солнечной системы. Из-за этого они богаты водой и другими летучими соединениями и сильно отличаются от крупных газовых гигантов, таких как Юпитер. Нам еще многое предстоит узнать об этих мирах, но то, что мы обнаружили до сих пор, было удивительным, например, природа их магнитных полей.
Когда в 1980-х годах космический корабль «Вояджер-2» пролетел мимо Урана и Нептуна, он обнаружил, что ни один из этих миров не имеет такого сильного диполярного магнитного поля, как у Земли. Вместо этого у каждого было более слабое и более хаотичное магнитное поле, подобное марсианскому. Это было удивительно, учитывая то, что мы понимаем о формировании планет.
В молодости планеты ее недра становятся очень горячими из-за гравитационного сжатия. Это позволило бы более тяжелому материалу, такому как железо, опуститься к ядру, а более легкому материалу, такому как вода, переместиться к поверхности. Для Земли это создало никель-железное ядро с коркой из силикатов, воды и органики. Огромное тепло в ядре также создаёт конвективную область, где горячий материал ядра немного поднимается, прежде чем остыть и опуститься, создавая круговой поток плотного материала. На Земле эта конвективная железная область генерирует сильное магнитное поле нашей планеты. Поскольку Уран и Нептун, вероятно, имеют металлическое ядро размером с Землю, мы ожидаем, что они будут иметь аналогичную область конвекции, генерирующую аналогичное магнитное поле. Но это не то, что мы наблюдаем.
После открытия «Вояджера-2» считалось, что, возможно, какой-то механизм препятствует образованию области конвекции. Возможно, слои внутри газового гиганта не смешиваются, подобно разделению нефти и воды. Но подробности остались неизвестными. Поскольку мы не можем создать в лаборатории условия чрезвычайно высокой плотности и высокого давления, как в ядре газового гиганта, у нас не было возможности протестировать различные модели. Мы также не отправили еще один зонд ни на одну из планет, поэтому у нас нет возможности собрать новые данные на месте.
Одним из подходов, который мог бы помочь разгадать тайну, было бы использование компьютерного моделирования. Однако моделирование взаимодействий сотен молекул для расчета их объемных свойств чрезвычайно трудоемко. Слишком сложно для компьютерных систем десятилетней давности. Но новое исследование смоделировало объемные свойства более 500 молекул, чего достаточно, чтобы рассчитать, как формируются слои ледяного гиганта.
Моделирование показывает, как вода, метан и аммиак в средней части Урана и Нептуна разделяются на два несмешиваемых слоя. В первую очередь это происходит потому, что водород выдавливается из глубоких недр, что ограничивает возможность смешивания. Без зоны конвекции в этих слоях планеты не могут образовывать сильное диполярное магнитное поле. У Урана, вероятно, есть каменное ядро размером с Меркурий, а у Нептуна, вероятно, каменное ядро размером с Марс.
Будущие лабораторные эксперименты могут подтвердить некоторые из этих объемных свойств, и предлагается миссия на Уран, которая соберет данные, чтобы подтвердить или опровергнуть эту модель.
Ссылка: Милитцер, Буркхард. «Фазовое разделение планетарных льдов объясняет недиполярные магнитные поля Урана и Нептуна». Труды Национальной академии наук 121.49 (2024): e2403981121.
