Модели внутренней структуры планет-ледяных гигантов Урана и Нептуна имеют два отдельных промежуточных слоя: верхний, богатый водой конвективный слой, где генерируются неорганизованные магнитные поля, и нижний, неконвективный, богатый углеводородами слой. Новое компьютерное моделирование показывает, что ледяные материалы естественным образом разделяются при высоком давлении и температуре на эти два слоя. Фото: Буркхард Милицер, Калифорнийский университет в Беркли.
Алмазный дождь? Суперионная вода? Это всего лишь два предположения планетологов о том, что находится под плотными голубоватыми водородно-гелиевыми атмосферами Урана и Нептуна, уникальных, но на первый взгляд безвкусных ледяных гигантов нашей Солнечной системы.
Ученый-планетолог из Калифорнийского университета в Беркли теперь предлагает альтернативную теорию — что недра обеих этих планет состоят из слоев и что эти два слоя, как нефть и вода, не смешиваются. Эта конфигурация четко объясняет необычные магнитные поля планет и подразумевает, что более ранние теории внутреннего строения вряд ли верны.
В статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, Буркхард Милитцер утверждает, что глубокий океан воды находится прямо под слоями облаков, а под ним — сильно сжатая жидкость из углерода, азота и водорода.
Компьютерное моделирование показывает, что при температуре и давлении недр планет комбинация воды (H2O), метана (CH3) и аммиака (NH3) естественным образом разделилась бы на два слоя, главным образом потому, что водород выдавился бы из метана и аммиак, который составляет большую часть недр.
Эти несмешивающиеся слои могли бы объяснить, почему ни Уран, ни Нептун не имеют такого магнитного поля, как у Земли. Это было одно из удивительных открытий о ледяных гигантах нашей Солнечной системы, сделанное миссией «Вояджер-2» в конце 1980-х годов.
«Теперь у нас есть, я бы сказал, хорошая теория, почему Уран и Нептун имеют действительно разные поля, и она сильно отличается от Земли, Юпитера и Сатурна», — сказал Милитцер, профессор кафедры Земли и планетологии Калифорнийского университета в Беркли. «Раньше мы этого не знали. Это как масло и вода, только масло опускается ниже, потому что теряется водород».
Если другие звездные системы имеют сходный с нашей состав, говорит Милитцер, ледяные гиганты вокруг этих звезд вполне могут иметь схожие внутренние структуры. Планеты размером с Уран и Нептун — так называемые субнептуновые планеты — являются одними из наиболее распространенных экзопланет, обнаруженных на сегодняшний день.
Конвекция приводит к появлению магнитных полей
Когда планета охлаждается от своей поверхности вниз, холодный и более плотный материал опускается, а капли более горячей жидкости поднимаются вверх, как кипящая вода — этот процесс называется конвекцией. Если внутренняя часть является электропроводной, толстый слой конвектирующего материала будет генерировать дипольное магнитное поле, подобное полю стержневого магнита.
Дипольное поле Земли, созданное ее жидким внешним железным ядром, создает магнитное поле, которое движется от Северного полюса к Южному полюсу и является причиной направления компасов к полюсам.
Но «Вояджер-2» обнаружил, что ни у одного из двух ледяных гигантов нет такого дипольного поля, а есть только неорганизованные магнитные поля. Это означает, что в глубоких недрах планет нет конвективного движения материала в толстом слое.
Чтобы объяснить эти наблюдения, две отдельные исследовательские группы более 20 лет назад предположили, что планеты должны иметь слои, которые не могут смешиваться, что предотвращает крупномасштабную конвекцию и глобальное диполярное магнитное поле. Однако конвекция в одном из слоев могла создать дезорганизованное магнитное поле. Но ни одна из групп не смогла объяснить, из чего состоят эти несмешивающиеся слои.
Десять лет назад Милитцер неоднократно пытался решить эту проблему, используя компьютерное моделирование около 100 атомов, в которых пропорции углерода, кислорода, азота и водорода отражали известный состав элементов ранней Солнечной системы.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.
При давлениях и температурах, предсказанных для недр планет — в 3,4 миллиона раз превышающих атмосферное давление Земли и 4750 Кельвинов (~8000°F) соответственно — он не смог найти способ формирования слоев.
Однако в прошлом году с помощью машинного обучения он смог запустить компьютерную модель, моделирующую поведение 540 атомов, и, к своему удивлению, обнаружил, что слои естественным образом формируются при нагревании и сжатии атомов.
«Однажды я посмотрел на модель и увидел, что вода отделилась от углерода и азота. То, что я не мог сделать 10 лет назад, сейчас происходит», — сказал он. «Я подумал: «Ух ты! Теперь я знаю, почему образуются слои: один богат водой, другой богат углеродом, а на Уране и Нептуне богатая углеродом система находится внизу. Тяжелая часть остается в внизу, а более легкая часть остается наверху и не может конвекции».
«Я не смог бы открыть это, не имея большой системы атомов, а также той большой системы, которую я не мог смоделировать 10 лет назад», — добавил он.
По его словам, количество вытесненного водорода увеличивается с давлением и глубиной, образуя стабильно стратифицированный слой углерода, азота и водорода, почти как пластиковый полимер, сказал он. В то время как верхний, богатый водой слой, вероятно, вызывает конвекцию, создавая наблюдаемое неорганизованное магнитное поле, более глубокий, стратифицированный, богатый углеводородами слой, не может этого сделать.
Когда он смоделировал гравитацию, создаваемую слоистыми Ураном и Нептуном, гравитационные поля соответствовали тем, которые были измерены «Вояджером-2» почти 40 лет назад.
«Если вы спросите моих коллег: «Как вы думаете, чем объясняются поля Урана и Нептуна?» они могут сказать: «Ну, может быть, это алмазный дождь, но, может быть, это свойство воды, которое мы называем суперионным», — сказал он. «С моей точки зрения, это неправдоподобно. Но если у нас есть разделение на два отдельных слоя, это должно объяснить это».
Милитцер предсказывает, что под атмосферой Урана толщиной 3000 миль находится богатый водой слой толщиной около 5000 миль, а под ним богатый углеводородами слой также толщиной около 5000 миль. Его каменное ядро размером примерно с планету Меркурий.
Хотя Нептун более массивен, чем Уран, он меньше в диаметре, с более тонкой атмосферой, но такими же толстыми слоями, богатыми водой и углеводородами. Его каменное ядро немного больше, чем у Урана, примерно размером с Марс.
Он надеется работать с коллегами, которые смогут проверить с помощью лабораторных экспериментов при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, образуются ли в жидкостях слои с пропорциями элементов, обнаруженными в протосолнечной системе.
Предлагаемая миссия НАСА к Урану также может предоставить подтверждение, если на борту космического корабля будет установлен доплеровский тепловизор для измерения вибраций планеты. По словам Милитцера, многослойная планета будет вибрировать на разных частотах, чем конвективная планета.
Его следующий проект — использовать свою вычислительную модель для расчета того, как будут различаться вибрации планет.
Информация от: Калифорнийским университетом в Беркли.
