Тайна и величие ледяных гигантов

6В закладки
Уран был открыт в 1781-м году, став первой планетой, обнаруженной с помощью телескопа. Спустя двести лет Уран и Нептун посетил космический аппарат “Вояджер-2” (в 1986-м и 1989-м соответственно). Credit: NASA/JPL

Запуск первого искусственного спутника Земли в 1957-м году ознаменовал начало космической эры. С тех пор человечество интенсивно изучает космические окрестности. Но каким-то непонятным образом, двум планетам удалось оказаться на обочине этих исследований.

За 63 года, прошедших с запуска первого спутника, человеческое творение посетило Уран и Нептун лишь единожды. Это сделал аппарат “Вояджер-2”, совершивший пролёты около небольших планет-гигантов в 1986-м и 1989-м году соответственно. Такое стало возможно благодаря успеху миссии изначально нацеленного на изучение Юпитера и Сатурна аппарата “Вояджер-1”.

За прошедшее с 1989-го года время было предложено около дюжины концепций миссий по изучению ледяных гигантов. Ни одна из этих концепций не прошла в стадию реализации из-за банальной вещи: отсутствия научного интереса. Сообщество учёных-планетологов к ледяным гигантам относилось прохладно.

Но по словам астронома Кэндис Хансен, открытие подобных Урану и Нептуну экзопланет в совокупности с новыми вопросами о формировании Солнечной системы заставляют учёных обращать на ледяных гигантов всё больше внимания. Сейчас настало то самое время, когда стоит подумать о возвращении к ним.

Время вернуться

Решение направить “Вояджер-2” к ледяным гигантам было принято в 1981-м году. Во время пролёта мимо Юпитера, аппарат получил гравитационный “пинок”, который направил его на путь к Урану и Нептуну. Теперь у учёных есть новый шанс повторить подобный трюк в промежутке между 2029-м и 2034-м годами. 

Список отменённых миссий к Урану и Нептуну. Credit: Astronomy.

Пролёт мимо ледяных гигантов принёс много новой информации о них. Некоторые данные очень сильно удивили учёных. “Вояджер-2” нашёл у обеих планет новые спутники и кольца. На Нептуне были обнаружены сильнейшие ветра, которые увидеть никто не ожидал. А его спутник Тритон впечатлил исследователей своей активностью. Некоторые учёные полагают, что под его поверхностью может скрываться океан жидкой воды. В котором вполне мог бы кто-нибудь жить.

Кэндис Хансен была членом группы получения и обработки изображений миссии “Вояджер-2” во время пролёта Урана и Нептуна. С тех времён в её памяти осели два очень ярких момента: получение изображения выбросов (или облаков?) на Тритоне и, конечно же, фотография с Большим тёмным пятном Нептуна. 

Но с ледяными гигантами до сих пор ничего не понятно. Остаётся множество загадок. Как сформировались эти планеты и как они эволюционировали на ранних этапах развития Солнечной системы? Почему у них такой необычный наклон оси вращения в сравнении с остальными планетами? Учёные хотели бы вернуться к изучению Урана и Нептуна и получить ответы на вопросы. Но хороший шанс для этого выпадает лишь сейчас: в конце этого десятилетия у исследователей появится возможность отправить космический аппарат по выгодной траектории, чтобы изучить Уран и Нептун, разгадать тайны этих планет и по-новому взглянуть на их леденящую красоту.

Концепция миссии под названием Trident была выбрана в качестве одного из четырёх полуфиналистов по программе NASA Discovery. Trident подразумевает отправку космического аппарата к Нептуну с использованием гравитационного манёвра у Юпитера. Credit: Astronomy

Мигрирующие планеты и необычные магнитосферы

Уран и Нептун называют ледяными гигантами. И это неспроста. Эти планеты вращаются на довольно большом расстоянии от Солнца и получают от светила очень мало тепла: их средняя температура составляет около двух сотен градусов ниже нуля.

Как оказалось, ледяные гиганты – один из самых распространенных типов планет во Вселенной. Их относительно легко обнаружить, поскольку они довольно крупные и оказывают заметное влияние на свою звезду. Однако, согласно современным моделям эти миры должны быть аномально редки, поскольку у них очень узкое временное окно для формирования. Протопланетная туманность –  оставшееся после образования светила облако газа и пыли, из которого рождаются планеты – должно быть почти полностью рассеяно, чтобы ледяные гиганты могли притянуть к себе доступный газ и лёд. Для этого им понадобится иметь ядра солидного размера.

Изучение процессов, отвечающих за формирование Урана и Нептуна, могло бы помочь учёным больше узнать о похожих планетах у других звёзд. Согласно результатам многочисленных компьютерных симуляций, низкая плотность планетезималей и слабое гравитационное влияние Солнца во внешней части новорожденной системы довольно сильно затрудняли образование ледяных гигантов такими, какими мы их знаем сегодня.

Возможно, они образовались не в той области системы, где располагаются сейчас. Они могли, подобно Юпитеру и Сатурну, возникнуть гораздо ближе к молодому Солнцу, а затем мигрировать во внешнюю часть системы. Но вопрос формирования – не единственная странность этих планет.

Теоретики предполагают, что в глубине мантий Урана и Нептуна идут алмазные дожди, которые выпадают на ядра этих планет. Кроме того, ледяные гиганты имеют довольно необычные наклоны оси вращения: Уран так и вообще вращается “на боку”. Credit: Lunar and Planetary Institute.

Уран буквально “катится на боку”. Его ось вращения наклонена на 97,8 градуса – больше, чем у любой планеты, кроме Венеры (177,4 градуса). Каждый полюс планеты 42 земных года находится в темноте, а следующие 42 года заливается светом Солнца. На данный момент учёные полагают, что подобный наклон можно объяснить столкновением по касательной с планетезималью меньшего размера, которое могло произойти в прошлом. Эта теория также претендует на объяснение необычного магнитного поля Урана.

Дело в том, что как правило магнитосферы планет вращаются в той же плоскости, что и сами планеты. В случае с Ураном это не так. Его магнитное поле наклонено относительно оси вращения на 59 градусов и смещено относительно центра планеты на треть её радиуса. Магнитосфера Урана довольно ассиметрична.

Похожая ситуация наблюдается на Нептуне. Его магнитное поле наклонено относительно оси вращения планеты на 47 градусов и смещено относительно её центра на более чем половину радиуса. 

Согласно текущим представлениям, магнитное поле планет формируется благодаря движению конвективных потоков в мантии за счёт эффекта магнитного динамо. Но странные особенности магнитосфер Урана и Нептуна учёные всё ещё до конца не понимают.

Завораживающие синие шары

Хотя вопросы, связанные с формированием этих планет и их магнитосфер, не дают покоя учёным, от полученных аппаратом “Вояджер-2” фотографий дух перехватило у всех. В ходе пролёта зонд также разгадал некоторые загадки, касающиеся атмосфер и внутренних процессов Урана и Нептуна.

Верхние слои атмосфер ледяных гигантов представляют собой одни из самых холодных мест в Солнечной системе: -224°С на Уране и -218°С на Нептуне. Холоднее только поверхность Плутона.

Но Нептун, несмотря на то, что получает от Солнца довольно мало света, обзавёлся собственной погодой. Да ещё какой! “Вояджер-2” увидел на планете тонкие белые облака, а также измерил скорость ветра в районе Большого тёмного пятна, которая составила 1609 км/ч – быстрее, чем где-либо в Солнечной системе. Большое тёмное пятно представляло собой огромный ураган размером с Землю. Он был открыт “Вояджером-2” и уже утих, но на Нептуне появились новые. Изучение этих штормов может позволить учёным заглянуть в более глубокие слои атмосферы планеты.

Газовая оболочка Урана и Нептуна в основном состоит из водорода и гелия с примесью метана. Именно метан придаёт Урану красивый аквамариновый цвет. Нептун более синий. За счёт чего – пока не ясно.

Мантии обеих планет состоят в основном из воды, аммиака и метана под высоким давлением. По сути, это глобальный жидкий электропроводник. Где-то в их глубине вода может расщепляться на водород и кислород. Ближе к ядру давление столь велико, что на части распадается и метан. Его углеродная составляющая превращается в кристаллы алмазов, которые спускаются на ядра ледяных гигантов. Да, настоящий дождь из алмазов.

Считается, что ядра Урана и Нептуна состоят из железа, никеля и силикатов. Масса Нептуна превышает земную примерно в 17 раз, тогда как его ядро примерно в 1,2 раза тяжелее нашей планеты. Ядро Урана поменьше – всего 0,55 масс Земли, тогда как сама планета имеет массу примерно в 14 земных. Несмотря на то, что всё это уже известно довольно давно, вопрос с внутренним запасом тепла у ледяных гигантов представляет большую загадку. 

Уран, в отличие от других планет Солнечной системы, практически не излучает собственного тепла. В то же самое время Нептун, который находится примерно в 10 а.е. за Ураном (1 астрономическая единица представляет собой величину, равную среднему расстоянию от Солнца до Земли), излучает в 2,61 раза больше энергии, чем получает от звезды. Давнее столкновение Урана с протопланетой могло бы объяснить подобный феномен. Но астрономы до сих пор не знают, имеет ли тепловыделение обеих планет сезонный характер. Новая космическая миссия к одной из них могла бы помочь восполнить пробелы в знаниях.

Кольца: тонкие, ледяные и пыльные

Когда аппарат «Вояджер-2» пролетел мимо Урана и Нептуна, он не просто дал новый взгляд на эти гигантские миры. Он также дал нам первое представление об их кольцах. 

Как и все планеты-гиганты в нашей солнечной системе, Уран и Нептун окружены системой колец. В 1977-м году астроном Джеймс Эллиотт открыл пять колец Урана. Уран стал второй планетой после Сатурна, у которой были обнаружены кольца. С помощью дальнейших наблюдений с Земли учёным удалось открыть ещё четыре. А достигший Урана в 1986-м году «Вояджер-2» открыл десятое кольцо. На данный момент известно, что у Урана есть система из тринадцати колец различной степени толщины и прозрачности. 

Некоторые из небольших спутников Урана поддерживают постоянную форму колец, по всей видимости, выступая в роли гравитационных “пастухов”. Большая часть колец сформирована частицами размером от 20 сантиметров до 20 метров. Вероятно, они состоят из водяного льда с примесью образовавшейся в ходе воздействия космического излучения органики. Система колец, скорее всего, имеет возраст около 600 миллионов лет. Такой вывод планетологи сделали исходя из наблюдений экзосферы планеты, проведёнными аппаратом “Вояджер-2”. Вероятно, кольца сформировались в результате столкновений древних спутников планеты.

У Урана известно 13 колец и 27 спутников. Миранда и Ариэль примечательны своими необычными ландшафтами поверхности. У Нептуна всего пять колец и 14 спутников, самый известный из которых – Тритон. Он вращается вокруг своей планеты по ретроградной орбите, т.е. в направлении, противоположном направлению вращения Нептуна. Credit: Astronomy.

Обнаружение колец Урана заставило астрономов повнимательнее присмотреться к его собрату Нептуну. Несмотря на то, что некоторые учёные заявляли об обнаружении неполных кольцевых дуг, окончательно удостовериться в наличии у Нептуна колец удалось лишь с прибытием к нему аппарата “Вояджер-2”. Пять колец планеты – Галле, Леверье, Лассель, Араго и Адамс – названы в честь астрономов, которые сделали важные открытия, касающиеся Нептуна. Иоганн Готфрид Галле, Урбен Жан Жозеф Леверье и Джон Коуч Адамс открыли планету в 1846 году, причём независимо друг от друга. Сделали они это при помощи математики: Нептун стал первой планетой Солнечной системы, открытой подобным образом. Исследовать аномалии движения Урана, которые намекали на существование Нептуна, Жозефу Леверье предложил Франсуа Араго. А Уильям Лассел открыл Тритон.

Как выяснилось, ранее открытые неполные кольцевые дуги являлись наиболее плотными частями кольца Адамса. В кольцах Нептуна больше пыли, чем в кольцах Урана, а сама система скорее напоминает аналогичную у Юпитера. Чтобы увидеть кольца отчётливо, свет от Нептуна необходимо заблокировать.

Одиночный пролёт аппарат “Вояджер-2” помог учёным открыть кольца ледяных гигантов. Новая миссия могла бы пролить свет на их структуру и возраст.

Спутники маленькие и большие

Кроме колец у каждого из ледяных гигантов имеется система из более чем дюжины спутников. И один из них может дать учёным повод вернуться к изучению Урана и Нептуна.

27 спутников Урана скрывают множество загадок. Поверхность Миранды – спутника, который по диаметру в 7 раз меньше нашей Луны – будто бы составлена из совершенно различных кусочков и имеет ущелье в 12 раз более глубокое, чем Большой каньон в Аризоне. А Ариэль, который в два раза крупнее Миранды, среди других лун Урана имеет самую молодую поверхность. 

У Нептуна всего 14 известных спутников. Самые внешние из них – Несо и Псамаф – имеют размеры в 60 и 40 километров соответственно. Хотя они и не являются самыми маленькими спутниками в Солнечной системе (это место занимает 12-километровый спутник Марса Деймос), они довольно сильно удалены от своей планеты: Несо находится на расстоянии в 49 миллионов километров от Нептуна (примерно треть расстояния от Земли до Солнца). Этому спутнику требуется 27 лет, чтобы совершить один оборот вокруг своей планеты. Псамаф же находится на расстоянии в 48 миллионов километров от ледяного гиганта.

Названный в честь сына Посейдона, Тритон может скрывать под своей поверхностью целый океан. Он является одним из трёх тел Солнечной системы, обладающих вулканической активностью. Credit: NASA/JPL-Caltech

Самый большой спутник Нептуна – Тритон – является настоящей достопримечательностью. Он крупнее Плутона и представляет собой единственный из крупных спутников Солнечной системы, вращающихся вокруг своей планеты по ретроградной орбите. “Вояджер-2” обнаружил, что поверхность Тритона довольно молодая, а сама луна геологически активна и может скрывать под поверхностью океан жидкой воды. Из-за вышеперечисленных особенностей учёные полагают, что Тритон может являться объектом, захваченным из пояса Койпера. Хотя возможно, что Нептун “украл” его у другой планеты на ранних этапах развития Солнечной системы.

У Тритона одна из самых плотных атмосфер среди крупных спутников. Но всё же, она значительно тоньше земной. Газовая оболочка состоит из азота, метана и окиси углерода. Вероятно, она образовалась в результате вулканической активности. Тритон – одно из трёх тел Солнечной системы, в настоящее время обладающих этой особенностью. Свидетельства о геологической активности спутника указывают на существование океана жидкой воды под его поверхностью. Среди других океанических миров Тритон был определён NASA как один из наилучших кандидатов для изучения в ближайшие десятилетия. То что надо для того чтобы вернуться к изучению ледяных гигантов.

Trident: миссия к Тритону

В рамках программы NASA Discovery новая миссия к ледяным гигантам может быть реализована уже в ближайшее время. Начатая в 1992-м году программа, даёт учёным возможность представить недорогие и инновационные способы исследовать Солнечную систему.

Тритон имеет одну из самых холодных поверхностей в Солнечной системе. Состоит она, в основном, из азотного льда, что также уникально. Это изображение является мозаикой из снимков, сделанных аппаратом “Вояджер-2”. Credit: NASA/JPL/USGS

Период подачи заявлений на программу начался в августе 2017-го. Небольшая группа учёных из Лаборатории реактивного движения NASA провела мозговой штурм и выдвинула концепцию Trident – миссии по изучению Нептуна и Тритона. Соавтор инициативы Карл Митчелл отметил, что путь от идеи до оформленного проекта прошёл довольно быстро.

Аппарат миссии Trident должен совершить близкий пролёт около Тритона, на расстоянии примерно в 500 километров. Он будет нацелен на составление карты поверхности спутника, изучение его геологической активности и возможного магнитного поля. Для выполнения этой задачи зонду потребуется множество научных приборов, в том числе магнитометр, узко- и широкоугольные камеры и плазменный спектрометр. 

В феврале прошлого года NASA выбрало проект Trident в качестве одного из четырёх полуфиналистов в программе Discovery. Команда проекта посетит NASA в феврале-марте этого года для продвижения своей концепции. После этого агентство сделает выбор о том, какие проекты будут превращены в реальные миссии. 

Хотелось бы, чтобы Trident стал одной из таких миссий. Потому что нам пришло время вернуться к изучению ледяных гигантов с их многочисленными тайнами и загадками. 

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

48
Войдите, чтобы видеть ещё 3 комментария, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Starman
Вечность назад

Спасибо! Очень интересно и познавательно. Рекомендую к прочтению. И успехов будущей миссии!

Джон Инспракер
Вечность назад

Спасибо. Хотелось бы миссию.

Сергей Королёв
Вечность назад

Дякую! Було цікаво почитати.

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
If you were unable to log in, try this link.