Учёные объяснили, почему магнитные поля Урана и Нептуна устроены аномально, и выяснили, что полюса этих планет могут смещаться на десятки градусов всего за несколько десятилетий. Исследование возглавили специалисты из Техасского университета в Остине; статья вышла в журнале Communications Physics.
Необычные магнитные поля двух ледяных гигантов ещё в 1980-х годах обнаружил аппарат NASA «Вояджер-2». У Земли магнитный диполь относительно упорядочен и отклоняется от оси вращения всего на 11 градусов. У Урана этот угол достигает 59 градусов, а у Нептуна – 47 градусов. На протяжении десятилетий астрофизики не могли объяснить, почему магнитные поля этих планет так сильно смещены.
Планетарные магнитные поля возникают глубоко под поверхностью, когда внутри движутся электропроводящие жидкости. Этот механизм называют динамо-эффектом. На Земле он работает во внешнем ядре из расплавленного железа. Уран и Нептун примерно в четыре раза шире Земли, а их недра, как полагают учёные, состоят в основном из водорода, гелия, воды, аммиака, метана и каменистых пород, хотя точный состав внутренних слоёв до сих пор не установлен.
Ведущий автор работы Чи Янь из Школы геонаук Джексона при Техасском университете предположил, что на магнитные поля влияет то, как сочетаются огромные размеры и химический состав этих планет. «Глубоко внутри Урана и Нептуна давление и температура достигают экстремальных значений. В таких условиях молекулы воды распадаются на ионы, поэтому на большой глубине вещество всё лучше проводит электричество», – пояснил Чи Янь.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи из Остина совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Имперского колледжа Лондона и Нортумбрийского университета смоделировали процессы в недрах ледяных гигантов. В расчётах они заложили рост электропроводности с глубиной и протестировали разные варианты внутреннего строения, отслеживая, как взаимодействуют потоки жидкости, температура и магнитные силы. Компьютерные модели смогли воспроизвести искажённые поля, которые зафиксировал «Вояджер-2».
Самым неожиданным выводом стало то, что магнитные поля Урана и Нептуна, вероятно, крайне нестабильны. На Земле магнитный наклон смещается примерно на один градус за 50 лет, тогда как на ледяных гигантах он способен меняться гораздо быстрее. В одних смоделированных сценариях угол наклона сдвигался незначительно, а в других – на десятки градусов всего за несколько десятилетий. Это означает, что сегодня магнитные поля Урана и Нептуна могут выглядеть иначе, чем в 1980-е годы.
Поскольку выводы пока опираются только на компьютерные расчёты, учёные ищут им подтверждение с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб». Специалисты изучают инфракрасные снимки полярных сияний на обеих планетах, которые возникают, когда солнечные заряженные частицы сталкиваются с газами в атмосфере. Геометрия сияний и аномалии в ионосфере напрямую зависят от магнитного поля. Профессор Нортумбрийского университета Том Сталлард, возглавляющий эти наблюдения на телескопе, отметил, что структура сияний поможет понять, как изменились магнитные поля после того, как мимо планет пролетел «Вояджер-2».
Исследователи планируют объединить архивные замеры «Вояджера-2», новые снимки «Джеймса Уэбба» и результаты моделирования. Тем не менее авторы подчёркивают, что окончательно разобраться, как устроены недра Урана и Нептуна, помогут только новые космические миссии к этим планетам. Работу профинансировали Техасский институт геофизики, NASA и британский Совет по научно-техническому оборудованию.
