Уран и Нептун часто называют ледяными гигантами, противопоставляя их сразу и земноподобным планетам, и газовым гигантам. На самом деле льда на них нет или почти нет. Однако даже это — не самый большой их парадокс и тайна.
Ледяные гиганты
Недавно в сети появилось исследование Урана и Нептуна, которое вызвало большой интерес у широкой публики. Речь в нем шла об исследовании состава глубин этих планет, который, вероятно, довольно сильно отличается. Поэтому именно наше понимание этих объектов как отдельного класса ледяных гигантов можно поставить под сомнение.
Однако на самом деле такое утверждение нельзя назвать неожиданным. Но для того, чтобы понять, почему, нужно обратиться к самому появлению этого термина.
По мере того как люди исследовали Солнечную систему, они узнавали, что планеты могут быть совершенно не похожи на Землю. И если Меркурий, Венера и Марс — это такие же каменные шары, как и наш мир, то Юпитер и Сатурн не имеют твердой поверхности, а по химическому составу больше похожи на вспыхнувшие звезды.
Существование двух типов планет уже выглядит загадочным. Однако если двигаться от Солнца дальше, то наткнешься на Уран с Нептуном, которые, на первый взгляд, напоминают уменьшенные копии Юпитера и Сатурна. Однако водорода и гелия, которые составляют подавляющую часть массы звезд, коричневых карликов и планет типа Юпитера и Сатурна, на них всего 20 %. Остальные — скальные породы, вода, метан, аммиак и другие вещества тяжелее гелия.
При этом вода, метан и аммиак составляют огромную часть массы Урана и Нептуна, а все остальное (силикатные породы и сплавы) сконцентрировано в большей степени в ядрах этих планет. Важно также то, что эти миры находятся настолько далеко от Солнца, что эти три вещества, которые на Земле находятся в жидком и газообразном состояниях, там должны быть льдом. Именно это предположение и дало название этому типу миров, которые вроде бы и газовые гиганты, но при этом не совсем.
Лед, жидкость, газ
Однако на самом деле все гораздо сложнее. На самом деле, стоит помнить, что огромная масса Урана и Нептуна приводит к возникновению мощных гравитационных сил, сжимающих материал. Поэтому, хотя верхние слои атмосферы Урана и Нептуна имеют температуру около -220°C, в их глубинах она может достигать нескольких тысяч градусов при высоком давлении.
В таких условиях аммиак, вода и метан находятся не в состоянии льда, а представляют собой сверхкритическую жидкость. Это такое особое состояние вещества, при котором разницы между жидкостью и газом уже нет. При этом внутри этой сверхкритической жидкости вещества частично могут переходить в твердое состояние. Например, метан может превращаться в алмазы, которые быстро падают в более близкие к ядру планеты области. Также в этом слое не исключено образование экзотических форм водяного льда.
И на этом этапе может сложиться ложное впечатление, что на самом деле разница с газовыми гигантами — минимальна, ведь на Юпитере и Сатурне по мере погружения в глубины водород и гелий тоже приобретают сначала свойства жидкости, а потом — металла, но на самом деле там материал так и остается газом, только очень плотным.
В любом случае вспыхнувшими звездами Уран и Нептун не назовешь. По своему химическому составу они столь же далеки от Солнца, как и от Земли. Можно было предположить, что это отдельная разновидность планет, и на том успокоиться, если бы мы при этом не получали вместо двух совершенно разных типов небесных тел — три, и все они как-то должны были образоваться с одного и того же аккреционного диска.
Образование планет
На самом деле для современной астрофизики все эти вопросы не так неразрешимы, как может показаться. Аккреционные диски вокруг молодых звезд ученые наблюдали уже неоднократно. Теория, согласно которой мелкие частицы начинают слипаться между собой, образуя все большие объекты, хорошо разработана. Согласно ей, на финальном этапе они слипаются, образуя молодые планеты, внутри которых начинается разогрев и гравитационная дифференциация глубин. Они плавятся, тяжелые элементы оказываются в ядре, более легкие — у коры.
Далее землеподобные планеты начинают собирать вокруг себя летучие вещества и газы. Происходит ли то же самое с зародышами планет-гигантов, или у них процесс сбора газов начинается гораздо раньше — вопрос очень дискуссионный. Понятно только одно: во внутренних частях звездной системы вообще не остается водорода и гелия, а количество воды и других подобных веществ — очень незначительно.
Больше всего их оказывается дальше звезды, и именно там образуются газовые и ледяные гиганты. Кстати, последние у других звезд обнаружены уже немало. Правда, по крайней мере, часть из них находится значительно ближе к своим светилам, чем в Солнечной системе. Это несколько загадочно, но в принципе неплохо объясняется миграцией планет на заре их существования.
Те нептуны, которые расположены в зоне жизни своих звезд или даже за ее внутренней границей, уже никак нельзя назвать ледяными гигантами, поэтому для них предложен термин «водные гиганты», что только дополнительно вводит в заблуждение, потому что на самом деле это те же планеты, и воды на них часто не больше, чем метана и аммиака.
Однако интересное в звездных системах за пределами нашей собственной другое. Больших газовых гигантов (юпитеров) у них обнаружено много, нептунов тоже. А вот планет промежуточного размера, как Сатурн, или чуть меньше, очень мало. Это одна из многочисленных загадок ледяных гигантов.
Трактовать этот факт можно по-разному. Возможно, он является свидетельством того, что юпитеры и нептуны образуются совсем не одинаково. Возможно, при достижении определенного размера планета с массой 12–18 земных начинает быстро притягивать к себе вещество и эволюционирует в большой газовый гигант.
Кроме того, само распределение нептунов в других звездных системах выглядит очень странно. В их внутренних регионах планеты этого типа встречаются очень редко, поэтому эти области называют нептунианскими пустынями. У внешних, которые называют нептунианской саванной, их больше, но все равно немного.
Основная же масса ледяных или водных гигантов сосредоточена в тонкой зоне между «саванной» и «пустыней», которую называют хребтом нептунов. Расстояние, на котором он находится от звезды, зависит от светимости последней, но такая картина правдоподобна для светил разных типов.
Идей относительно того, какие именно процессы могут приводить к такому распределению, и связано ли это как-то с небольшим количеством сатурнов во Вселенной, существует много, но до твердых доказательств ученые пока не дошли.
Субнептуны и суперземли
Однако главная загадка ледяных гигантов связана не с тем, эволюционируют ли они в юпитеры, а с тем, как они связаны с земноподобными планетами. Ведь если планет, подобных Сатурну, в космосе мало, то объектов, больше Земли и меньше Нептуна, чрезвычайно много.
И проблема в том, что мы не знаем, как они выглядят на самом деле, потому что ничего подобного в Солнечной системе просто не существует. Обычно о них говорят как о суперземлях, но модели формирования планет показывают, что они должны быть окружены мощными атмосферами и, возможно, полностью покрыты водой. Густая газовая оболочка, переходящая в океан глубиной в много километров, и где-то там, на самом дне, силикатный шар — ничего не напоминает?
А есть еще теория существования так называемых гикеанов — планет полностью покрытых водой и с мощной водородной атмосферой. Фактически это мини-нептуны. И тогда возникает вопрос, а сколько еще неизвестных типов миров существует в космосе? Возможно ли, что ледяные гиганты и землеподобные планеты — действительно один тип, только в разных условиях формирования.
Если последнее верно, то с одной стороны это хорошо, потому что позволяет создать теорию, объясняющую образование всего многообразия миров, которые мы наблюдаем.
С другой, возникает очень много вопросов относительно того, какие факторы влияют на то, какую форму в конце концов обретет мир после того, как произойдет его формирование из планетезималей. Ибо ядра Юпитера и Нептуна не очень отличаются по размеру от Земли. Такие же силикатные шары, возможно, с металлами внутри.
Конечно, на формирование планет-океанов и нептунов влияет количество летучих веществ вокруг них. То есть эффективнее всего ледяные гиганты должны формироваться там, где воды, аммиака и метана много, то есть подальше от звезды. Но какую роль в их эволюции играет размер скалистого ядра?
Учитывая именно этот вопрос выглядит таким интересным одно из последних исследований. То, что у Урана ядро ощутимо меньше, чем у Нептуна, может означать, что их эволюционные пути могли быть совершенно разными. Вполне возможно, что именно с этим связано то, что седьмая, а не восьмая планета является самой холодной в Солнечной системе.
Все это — следствия каких-то закономерностей, которые мы до сих пор не понимаем. Уран значительно легче Нептуна, поэтому, возможно, он действительно ближе к Сатурну. А может, сам класс «ледяных гигантов» — лишь ложное объединение. Их загадка — это, по сути, загадка рождения и эволюции планетных систем в целом.
