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.
Крижані гіганти
Нещодавно в мережі з’явилося дослідження Урана та Нептуна, яке викликало неабияку зацікавленість у широкої публіки. Йшлося у ньому про дослідження складу глибин цих планет, який, імовірно, досить сильно відрізняється. А тому саме наше розуміння цих об’єктів як окремого класу крижаних гігантів можна поставити під сумнів.
Проте насправді таке твердження не можна назвати несподіваним. Але для того, аби зрозуміти, чому, треба звернутися до самої появи цього терміну.
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 типів планет уже здається загадковим. Проте якщо рухатися від Сонця далі, то натрапиш на Уран з Нептуном, які, на перший погляд, нагадують зменшені копії Юпітера та Сатурна. Проте водню та гелію, які складають переважну частину маси зір, коричневих карликів та планет типу Юпітера та Сатурна, на них лише 20 %. Решта — скельні породи, вода, метан, аміак та інші речовини, важчі за гелій.
При цьому вода, метан й аміак складають більшу частину маси Урана та Нептуна, а все інше (силікатні породи та метали) сконцентровано переважно в ядрах цих планет. Важливо також те, що ці світи розташовані настільки далеко від Сонця, що ці три речовини, які на Землі перебувають у рідкому та газоподібному станах, там мали б бути кригою. Саме це припущення і дало назву цьому типу світів, які ніби як і газові гіганти, але при цьому не зовсім.
Крига, рідина, газ
Проте насправді все значно складніше. Насправді варто пам’ятати, що величезна маса Урана та Нептуна призводить до виникнення потужних гравітаційних сил, які стискають матеріал. Тому, хоча верхні шари атмосфери Урана та Нептуна мають температуру близько -220°C, у їхніх глибинах вона може сягати кількох тисяч градусів при високому тиску.
У таких умовах аміак, вода та метан перебувають не у стані криги, а являють собою надкритичну рідину. Це такий особливий стан речовини, за якого різниці між рідиною та газом вже немає. При цьому всередині цієї надкритичної рідини речовини можуть частково переходити у твердий стан. Наприклад, метан може перетворюватися на алмази, які швидко падають у ближчі до ядра планети області. Також у цьому шарі не виключене утворення екзотичних форм водяної криги.
І на цьому етапі може скластися хибне враження, що насправді різниця з газовими гігантами — мінімальна, адже на Юпітері та Сатурні в міру занурення у глибини водень та гелій теж набувають спочатку властивостей рідини, а потім — металу, але насправді там матеріал так і лишається газом, тільки надзвичайно щільним.
У будь-якому разі зорями, що не спалахнули, Уран та Нептун не назвеш. За своїм хімічним складом вони настільки ж далекі від Сонця, як і від Землі. Можна було припустити, що це окремий різновид планет, і на тому заспокоїтися, якби ми при цьому не отримувати замість двох геть різних типів небесних тіл — три, й усі вони якось мали б утворитися з одного і того ж акреційного диска.
Утворення планет
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.
Далі землеподібні планети починають збирати навколо себе леткі речовини та гази. Чи відбувається те саме із зародками планет-гігантів, чи у них процес збирання газів розпочинається набагато раніше — питання дуже дискусійне. Зрозуміло лише одне: у внутрішніх частинах зоряної системи взагалі не залишається водню та гелію, а кількість води та інших подібних речовин — дуже незначна.
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, які розташовані у зоні життя своїх зір чи навіть за її внутрішньою межею, вже ніяк не можна назвати крижаними гігантами, тому для них запропонований термін «водні гіганти», що тільки додатково вводить в оману, бо насправді це ті самі планети, й води на них часто не більше, ніж метану та аміаку.
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.
Трактувати цей факт можна по-різному. Можливо, він є свідченням того, що юпітери та нептуни утворюються зовсім не однаково. Можливо, при досягненні певного розміру планета з масою 12–18 земних починає швидко притягувати до себе речовину й еволюціонує у великий газовий гігант.
Крім того, сам розподіл нептунів в інших зоряних системах здається дуже дивним. У внутрішніх їхніх регіонах планети цього типу зустрічаються дуже рідко, тому ці області називають нептуніанськими пустелями. У зовнішніх, які називають нептуніанською саваною, їх більше, але все одно небагато.
Основна ж маса крижаних чи водних гігантів зосереджена у тонкій зоні між «саванною» та «пустелею», яку називають хребтом нептунів. Відстань, на якій він розташований від зорі, залежить від світимості останньої, але така картина справджується для світил різних типів.
Ідей щодо того, які саме процеси можуть призводити до такого розподілу, і чи пов’язано це якось із невеликою кількістю сатурнів у Всесвіті, існує багато, але до якихось твердих доказів науковці поки що не дійшли.
Субнептуни та суперземлі
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.
І проблема в тому, що ми не знаємо, який вигляд вони мають насправді, бо нічого подібного у Сонячній системі просто не існує. Зазвичай про них говорять як про суперземлі, але моделі формування планет показують, що вони мають бути оточені потужними атмосферами й, можливо, повністю вкритими водою. Густа газова оболонка, яка переходить в океан глибиною у багато кілометрів, і десь там, на самому дні, силікатна куля — нічого не нагадує?
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 останнє правда, то, з одного боку, це добре, бо дозволяє створити теорію, яка пояснює утворення всього багатоманіття світів, які ми спостерігаємо.
З іншого, виникає дуже багато запитань щодо того, які фактори впливають на те, яку форму зрештою набуде світ після того, як відбудеться його формування з планетезималей. Бо ядра Юпітера та Нептуна не дуже відрізняються за розміром від Землі. Такі саме силікатні кулі, можливо, з металами всередині.
Звичайно, що на формування планет-океанів та нептунів впливає кількість летких речовин навколо них. Тобто найефективніше крижані гіганти мають формуватися там, де води, аміаку та метану багато, тобто далі від зорі. Але яку роль у їхній еволюції відіграє розмір скелястого ядра?
З огляду саме на це питання здається таким цікавим одне з останніх досліджень. Те, що в Урана ядро відчутно менше, ніж у Нептуна, може означати, що їхні еволюційні шляхи могли бути геть різними. Цілком можливо, що саме із цим пов’язано те, що сьома, а не восьма планета є найхолоднішою у Сонячній системі.
Усе це — наслідки якихось закономірностей, які ми досі не розуміємо. Уран значно легший за Нептун, тож, можливо, він справді ближчий до Сатурна. А може, сам клас «крижаних гігантів» — лише хибне об’єднання. Їхня загадка — це, по суті, загадка народження й еволюції планетних систем загалом.
