Co Uran i Neptun kryją pod swoimi atmosferami?

Astronomowie od lat zastanawiają, co kryje się pod grubą, niebieską, wodorowo-helową atmosferą jaką posiadają dwa lodowe olbrzymy Układu Słonecznego Uran i Neptun.

.Naukowcy z University of California w Berkeley w badaniu, opublikowanym w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences, zaproponowali, nową teorię — wnętrza obu planet składają się z warstw, które się nie mieszają. To rozwiązanie wyjaśniałoby niezwykłe pola magnetyczne planet. Astronomowie sugerują, że głęboki ocean wody leży tuż pod warstwami chmur, a pod nimi znajduje się skompresowany płyn składający się z węgla, azotu i wodoru.

Symulacje komputerowe pokazują, że pod wpływem temperatury ciśnienia panujących na Uranie i Neptunie, połączenie wody, metanu i amoniaku naturalnie rozdzieliłoby się na dwie warstwy, głównie dlatego, że wodór zostałby wyciśnięty z metanu i amoniaku, które stanowiłyby część wewnętrzną.

Te niemieszające się warstwy, zdaniem badaczy, wyjaśniałyby, dlaczego ani Uran, ani Neptun nie mają pól magnetycznych takich jak Ziemia. Było to jednym z zaskakujących odkryć dotyczących lodowych olbrzymów naszego Układu Słonecznego, dokonanych przez misję Voyager 2 pod koniec lat 80.

„Jest to dobra teoria dotycząca tego, dlaczego Uran i Neptun mają różne pola magnetyczne, inne od Ziemi, Jowisza i Saturna. Nie wiedzieliśmy tego wcześniej. To jak ropa i woda, z tą różnicą, że ropa jest pod spodem, ponieważ wodór jest tracony” – mówi Burkhard Militzer z University of California.

Jeśli inne układy gwiezdne mają podobny skład do naszego, to jak sugerują astronomowie, lodowe olbrzymy wokół obcych gwiazd mogą mieć podobne struktury wewnętrzne. Planety wielkości Urana i Neptuna — tak zwane planety subneptunowe — należą do najczęściej odkrywanych egzoplanet we Wszechświecie.

Gdy planeta stygnie od powierzchni w dół, zimniejszy, gęstszy materiał opada, podczas gdy cieplejszy płyn unosi się jak wrząca woda — proces ten nazywany jest konwekcją. Jeśli wnętrze przewodzi prąd, gruba warstwa konwekcyjnego materiału utworzy pole dipolowe magnetyczne podobne do pola magnesu. Pole dipolowe Ziemi, tworzone przez jej płynne zewnętrzne żelazne jądro, tworzy pole magnetyczne, które zapętla się od bieguna północnego do południowego.

Jednak Voyager 2 odkrył, że żaden z dwóch lodowych olbrzymów nie ma takiego pola dipolowego, tylko zdezorganizowane pola magnetyczne. Oznacza to, że nie ma konwekcyjnego ruchu materiału w grubej warstwie głęboko we wnętrzach planet.

Aby wyjaśnić te obserwacje, naukowcy zaproponowali ponad 20 lat temu, że planety muszą mieć warstwy, które nie mogą się mieszać, zapobiegając w ten sposób konwekcji na dużą skalę i globalnemu dipolowemu polu magnetycznemu. Konwekcja w jednej z warstw może jednak wytworzyć zdezorganizowane pole magnetyczne. Ale żadna z grup nie potrafiła wyjaśnić, z czego zbudowane były niemieszające się poziomy.

Badacze wielokrotnie próbowai rozwiązać ten problem, używając komputerowych symulacji łącznia się najbardziej powszechnych pierwiastków w Układzie Słonecznym – węgla, tlenu, azotu i wodoru. W ramach nowego badania udało im się to, dzięki wykorzystaniu uczenia maszynowego i byli w stanie uruchomić model komputerowy symulujący zachowanie 540 atomów. Odkryli, że warstwy powstały naturalnie, gdy atomy zostały podgrzane i ściśnięte.

„Pewnego dnia spojrzałem na model i zobaczyłem, że woda oddzieliła się od węgla i azotu. Pokazało to, dlaczego powstają warstwy: jedna jest bogata w wodę, druga jest bogata w węgiel, a w przypadku Urana i Neptuna bogaty w węgiel układ znajduje się na dole. Cięższa część pozostaje na dole, a lżejsza na górze i nie może wykonywać żadnej konwekcji” – zaznacza Militzer.

Jak tłumaczą astronomowie, ilość wodoru wzrasta wraz z ciśnieniem i głębokością, tworząc stabilnie uwarstwioną warstwę węgiel-azot-wodór, prawie jak polimer z tworzywa sztucznego. Podczas gdy górna, bogata w wodę warstwa prawdopodobnie konwekcyjnie generuje obserwowane zdezorganizowane pole magnetyczne, głębsza, bogata w węglowodory nie może tego robić. Model zgadza się z tym co zmierzył Voyager2 prawie 40 lat temu.

Astronomowie przewidują, że pod atmosferą Urana o grubości 4800 kilometrów znajduje się bogata w wodę warstwa o grubości około 8 tysięcy kilometrów, a pod nią warstwa bogata w węglowodory również o grubości około 8 tysięcy kilometrów. A jego skaliste jądro ma mniej więcej rozmiar planety Merkury.

.Chociaż Neptun jest masywniejszy, ma mniejszą średnicę, cieńszą atmosferę, ale podobnie grube warstwy bogate w wodę i węglowodory. Jego skaliste jądro jest nieco większe niż Urana, mniej więcej rozmiaru Marsa.

Oprac. EG