Секрети льодових колосів космосу
Уран та Нептун часто називають крижаними гігантами, протиставляючи одразу і землеподібним планетам, і газовим гігантам. Насправді криги на них немає чи майже немає. Проте навіть і це -- не найбільший їхній парадокс і таємниця.
Нещодавно в Інтернеті з'явилося нове дослідження щодо Урана і Нептуна, яке привернуло значну увагу громадськості. У ньому розглядалися особливості складу глибин цих планет, який, ймовірно, має суттєві відмінності. Це ставить під сумнів наше сприйняття цих небесних тіл як однорідної групи крижаних гігантів.
Однак насправді таке висловлювання не є несподіваним. Щоб зрозуміти причини цього, варто звернути увагу на історію виникнення цього терміна.
В міру того, як люди досліджували Сонячну систему, вони дізнавалися, що планети можуть бути геть не схожими на Землю. І якщо Меркурій, Венера та Марс -- це такі самі кам'яні кулі, як і наш світ, то Юпітер та Сатурн не мають твердої поверхні, а за хімічним складом більше схожі на зорі, що не спалахнули.
Існування двох категорій планет вже виглядає досить загадково. Але якщо продовжити шлях від Сонця, ми натрапимо на Уран і Нептун, які, на перший погляд, є зменшеними версіями Юпітера і Сатурна. Проте, вміст водню та гелію, що становлять основну масу зір, коричневих карликів та планет типу Юпітера і Сатурна, на цих планетах складає лише 20%. Інші 80% їхньої маси складаються зі скельних матеріалів, води, метану, аміаку та інших елементів, які важчі за гелій.
Вода, метан і аміак становлять основну частину маси Урана та Нептуна, тоді як інші елементи, такі як силікати й метали, зосереджені, переважно, в їхніх ядрах. Також варто зазначити, що ці планети розташовані на великій відстані від Сонця, що призводить до того, що вищезгадані речовини, які на Землі існують у рідкому або газоподібному стані, у них, скоріше за все, перебувають у замороженій формі. Це спостереження стало підставою для визначення даного класу світів, які подібні до газових гігантів, проте мають свої специфічні особливості.
Однак насправді ситуація є набагато складнішою. Важливо враховувати, що величезні маси Урана та Нептуна породжують сильні гравітаційні сили, які компресують матеріал. Тож, незважаючи на те, що верхні шари атмосфери цих планет мають температуру приблизно -220°C, в їхніх глибинах вона може досягати кількох тисяч градусів під умовами високого тиску.
У таких обставинах аміак, вода та метан не існують у формі льоду, а знаходяться в стані надкритичної рідини. Це унікальний стан матерії, при якому межа між рідиною та газом стирається. Всередині цієї надкритичної рідини речовини можуть частково переходити у тверду фазу. Наприклад, метан може трансформуватися в алмази, які швидко занурюються в області, близькі до ядра планети. Крім того, в цьому шарі можливе виникнення екзотичних форм водяного льоду.
На даному етапі може виникнути невірне уявлення, що різниця між газовими гігантами є вкрай незначною. Адже на Юпітері та Сатурні, з поглибленням у їхні атмосфери, водень і гелій спочатку проявляють рідкі властивості, а згодом — металеві. Проте, насправді ці елементи залишаються газоподібними, просто в стані надзвичайно високої щільності.
У будь-якому випадку, Уран і Нептун не можуть бути названі зірками, які не розгорілися. За своїм хімічним складом ці планети настільки ж віддалені від Сонця, як і від Землі. Можна було б припустити, що це окремий клас планет, і на цьому зупинитися, якби не той факт, що ми маємо справу не з двома абсолютно різними типами небесних тіл, а з трьома, які всі, в певному сенсі, виникли з одного й того ж акреційного диска.
Насправді для сучасної астрофізики всі ці питання не такі нерозв'язні, як може здатися. Акреційні диски навколо молодих зір науковці спостерігали вже неодноразово. Теорія, згідно з якою дрібні частинки починають злипатися між собою, утворюючи все більші об'єкти, добре розроблена. Згідно з нею, на фінальному етапі вони злипаються, утворюючи молоді планети, всередині яких розпочинається розігрів і гравітаційна диференціація глибин. Вони плавляться, важкі елементи опиняються в ядрі, легші -- біля кори.
Подальший етап формування землеподібних планет полягає в накопиченні навколишніх летючих речовин і газів. Щодо планет-гігантів, існує багато дискусій про те, чи починають вони збирати гази на ранніх етапах формування, або ж цей процес відбувається пізніше. Однак, безсумнівно, що в центральних областях зоряної системи практично не залишається водню і гелію, а кількість води та подібних сполук є вкрай обмеженою.
Найбільше ж їх опиняється далі від зорі, й саме там утворюються газові та крижані гіганти. До речі, останніх біля інших зір виявлено вже чимало. Щоправда, принаймні частина з них перебуває значно ближче до своїх світил, ніж у Сонячній системі. Це трохи загадково, але загалом непогано пояснюється міграцією планет на світанку їхнього існування.
Ті нептуни, що знаходяться в зоні життя своїх зір або навіть ближче до них, не можуть вважатися крижаними гігантами. Для таких об'єктів було запропоновано термін "водні гіганти", однак це може створити хибне враження, адже насправді ці планети мають води, які часто складаються переважно з метану і аміаку, а не з води в звичному розумінні.
Проте цікаве у зоряних системах за межами нашої власної інше. Великих газових гігантів (юпітерів) у них виявлено багато, нептунів також. А от планет проміжного розміру, як Сатурн, чи трохи менше -- дуже мало. Це -- одна з численних загадок крижаних гігантів.
Цей факт можна інтерпретувати по-різному. Можливо, він свідчить про те, що процес формування юпітерів і нептунів відрізняється. Можливо, коли планета досягає маси в межах 12-18 Земель, вона починає активно накопичувати матерію і розвивається в потужний газовий гігант.
Додатково, розподіл нептуноподібних планет в інших зоряних системах виглядає досить незвично. У внутрішніх зонах таких систем планети цього типу зустрічаються вкрай рідко, тому ці території отримали назву нептуніанських пустель. В той же час, у зовнішніх регіонах, що іменуються нептуніанською саваною, їх кількість більша, але все ще залишається обмеженою.
Переважна частина крижаних або водяних гігантів зосереджена в вузькому поясі, що розділяє "саванну" і "пустелю", відомому як хребет нептунів. Відстань від цього хребта до зірки варіюється в залежності від її яскравості, проте така структура спостерігається для зірок різних класів.
Існує безліч припущень стосовно процесів, які можуть впливати на такий розподіл, а також можливої взаємозв'язку з обмеженою кількістю сатурнів у Всесвіті. Проте наукові дослідження поки що не надали достатніх доказів для підтвердження цих теорій.
Проте головна загадка крижаних гігантів пов'язана не з тим, чи еволюціонують вони у юпітери, а з тим, як вони пов'язані із землеподібними планетами. Бо якщо планет, подібних до Сатурна, в космосі мало, то об'єктів, більших за Землю і менших за Нептун, надзвичайно багато.
Проблема полягає в тому, що ми не маємо уявлення про їх справжній вигляд, оскільки в Сонячній системі немає нічого схожого. Їх зазвичай називають суперземлями, але моделі формування планет свідчать, що вони повинні мати потужні атмосфери і, можливо, бути повністю покритими водою. Уявіть собі щільну газову оболонку, що переходить у океан глибиною в кілька кілометрів, а на дні цього океану знаходиться силікатна сфера — чи не нагадує це вам щось?
А є ще теорія існування так званих гікеанів -- планет повністю вкритих водою і з потужною водневою атмосферою. Фактично це -- мінінептуни. І тоді виникає запитання, а скільки ж ще невідомих типів світів існує у космосі? Чи можливо, що крижані гіганти й землеподібні планети -- насправді один тип, тільки у різних умовах формування.
Якщо це так, то з одного боку, це позитивно, оскільки відкриває можливість для розробки теорії, що пояснює виникнення всього різноманіття світів, які ми спостерігаємо.
З іншого боку, існує безліч питань стосовно факторів, які визначають, якою буде остаточна форма світу після його формування з планетезималей. Ядра Юпітера та Нептуна за своїми розмірами не сильно відрізняються від Землі. Це можуть бути подібні силікатні сфери, можливо, з металевими елементами всередині.
Безумовно, на розвиток планет-океанів та нептуноподібних планет суттєво впливають обсяги летких компонентів, що їх оточують. Це означає, що найбільш успішно крижані гіганти можуть утворюватися у зонах з високою концентрацією води, аміаку та метану, тобто на значній відстані від зірок. Проте, яку роль у їхній еволюції відіграє розмір кам'яного ядра?
Враховуючи це питання, одне з останніх досліджень виглядає особливо захоплюючим. Те, що ядро Урана значно менше, ніж у Нептуна, може свідчити про те, що їхні еволюційні шляхи були абсолютно різними. Можливо, саме це пояснює, чому сьома планета є найхолоднішою в Сонячній системі, а не восьма.
Весь цей феномен є результатом певних закономірностей, які залишаються для нас невідомими. Уран має значно меншу масу, ніж Нептун, тому цілком ймовірно, що він насправді ближчий до Сатурна. Можливо, сама категорія "крижаних гігантів" є лише помилковим визначенням. Їхня загадка, по суті, є ключем до розуміння процесів формування та еволюції планетних систем в цілому.
