Наша Солнечная система традиционно делится на группы планет по составу: четыре каменистые планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), два массивных газовых гиганта (Юпитер и Сатурн) и пара ледяных гигантов (Уран и Нептун). Однако недавние исследования, проведенные научной группой из Цюрихского университета, предполагают, что Уран и Нептун могут содержать значительно больше каменистого материала, чем предполагалось ранее. Это исследование не утверждает, что эти планеты обязательно должны быть либо богаты водой, либо камнем. Оно скорее ставит под сомнение давнее представление о том, что насыщенное льдом ядро — единственный вывод, поддерживаемый имеющимися данными. Эта более широкая интерпретация также согласуется с данными о том, что карликовая планета Плутон преимущественно состоит из камня.
Чтобы глубже понять внутреннее строение Урана и Нептуна, исследователи разработали специализированный метод моделирования. «Классификация «ледяных гигантов» слишком упрощена, поскольку Уран и Нептун все еще плохо изучены», – отмечает Лука Морф, аспирант Цюрихского университета и ведущий автор работы. «Модели, основанные на физике, содержали слишком много допущений, в то время как эмпирические модели были слишком примитивными. Мы объединили оба подхода, чтобы получить модели внутреннего строения, которые являются одновременно «агностическими», то есть непредвзятыми, и при этом физически непротиворечивыми».
Процесс начинается с генерации случайного профиля плотности, который представляет внутреннюю структуру каждой планеты. Затем команда определяет гравитационное поле, которое соответствовало бы наблюдаемым измерениям, и использует эту информацию для вывода возможного состава. Цикл повторяется до тех пор, пока модель не будет наилучшим образом соответствовать всем доступным данным.
Используя этот непредвзятый и основанный на физических принципах подход, исследователи обнаружили, что внутренний состав так называемых ледяных гигантов Солнечной системы не ограничивается только льдом (который обычно интерпретируется как вода). «Мы впервые высказали это предположение почти 15 лет назад, и теперь у нас есть числовая основа для его демонстрации», – говорит Равит Хеллед, профессор Цюрихского университета и инициатор проекта. Их результаты показывают, что обе планеты могут быть как доминирующе богатыми водой, так и иметь значительно более каменистую структуру.
Полученные данные также дают новое представление о необычных магнитных полях Урана и Нептуна. Магнитное поле Земли имеет два четко выраженных полюса, но поля этих далеких планет более нерегулярны и включают несколько полюсов. По словам Хеллед, «наши модели содержат так называемые «ионные водные» слои, которые генерируют магнитные динамо в местах, объясняющих наблюдаемые недипольные магнитные поля. Мы также обнаружили, что магнитное поле Урана возникает глубже, чем у Нептуна».
Хотя исследование предлагает многообещающие новые интерпретации, неопределенности остаются. «Одна из главных проблем заключается в том, что физики до сих пор плохо понимают, как ведут себя материалы в экзотических условиях давления и температуры, обнаруженных в сердце планеты, – это может повлиять на наши результаты», – поясняет Морф, который намерен продолжить работу по моделированию.
Даже при наличии оставшихся неизвестных, результаты открывают двери для новых сценариев внутреннего строения, оспаривают давние предположения и подчеркивают важные пробелы в материаловедении при планетарных условиях. «Уран и Нептун могут быть как «каменными гигантами», так и «ледяными гигантами» в зависимости от допущений модели. Текущих данных недостаточно для их различения, и поэтому нам нужны целевые миссии к Урану и Нептуну, которые смогут раскрыть их истинную природу», – заключает Равит Хеллед.
