8 Minutės
Nauji modeliai iš Cūricho universiteto kelia abejonių ilgai dominuojančia nuomone, kad Uranas ir Neptūnas yra daugiausia ledo sudaryti pasauliai. Derindami nešališką statistinį mėginių ėmimą su fizikos principais paremtomis sąlygomis, tyrėjai rodo, kad abu planetos gali turėti kur kas daugiau uolienų nei manyta anksčiau — ir kad mūsų supratimas apie Saulės sistemos išorinius regionus išlieka nepilnas, kol kosminiai aparatai nepateiks naujų tiesioginių matavimų.
Peržiūrint „ledo milžino“ etiketę
Kartojama planetarinė mokymo programa tradiciškai skirstė planetas į tris šeimas: keturias uolienines Žemės tipo planetas, du dujinio tipo milžinus ir porą vadinamųjų ledo milžinų. Uranas ir Neptūnas paprastai priskiriami pastarajai kategorijai, manyta, kad jie dominuojami tokiais „ledais“ kaip vanduo, amoniakas ir metanas, esant dideliam slėgiui. Naujas Cūricho universiteto tyrimas teigia, kad toks klasifikavimas gali būti per daug supaprastintas. Naudodami naują, labiau agnostinį modeliavimą, autoriai randa vidaus sprendimus, kuriuose šios planetos gali būti arba vandeniu turtingos, arba uolienomis turtingos — priklausomai nuo pagrįstų fizinių prielaidų.
Tai reiškia, kad Uranas ir Neptūnas gali apimti plačiau skirtingų vidinių sudėčių spektrą, nei leidžia tradicinis „ledo milžino“ terminas. Tyrimo komanda taip pat atkreipia dėmesį į nepriklausomus duomenis, rodančius, jog tolimasis Plutonas yra iš esmės uolieninis, pabrėždami išorinių Saulės sistemos kūnų įvairovę ir sudėtingumą.
Kaip veikia naujieji modeliai
Tradiciškai dujų ir ledo milžinų vidaus modeliai sunkiai išvengė dviejų ekstremų: arba empiriniai pritaikymai, kuriuose trūko gilesnių fizinių sąsajų, arba „fizika-pirmiau“ skaičiavimai, reikalavę daugybės prielaidų apie medžiagų elgseną esant ekstremaliam slėgiui ir temperatūrai. Cūricho komanda užpildė šią spragą generuodama didelius atsitiktinių tankių profilių rinkinius ir vėliau testuodama, kurie profiliai duoda gravitacines savybes, atitinkančias stebėjimus. Kiekvienas kandidatas buvo patikrintas pagal žinomus gravitacinius momentus, planetos masę ir spindulį, ir išsaugotos tik fizikos dėsniais suderinamos konfigūracijos. Kartojant šį procesą tūkstančius kartų, suformuojama leistina vidinių struktūrų šeima, neįtvirtinant vienos konkrečios sudėties prielaidos.
Kodėl „agnostinis“ požiūris yra svarbus
Toks metodas sumažina iš anksto įdiegtą šališkumą, kai modeliai linkę favorizuoti vieną sudėtį, ir ryškina degeneracijas — skirtingus vidinius „receptus“, kurie duoda tuos pačius išorinius stebimus parametrus. Būtent ta degeneracija paaiškina, kodėl esami duomenys gali vienodai gerai paremti tiek uolienoms dominuojančias, tiek ledui dominuojančias vidines struktūras Uranui ir Neptūnui. Modeliai nesiekia pateikti galutinio atsakymo, tačiau išplėčia realistiškų galimybių spektrą, kurį planetologai turėtų nagrinėti.
Techninė prasme metodas iš esmės veikia kaip plataus masto atsitiktinių modelių paieška, kuri vėliau filtruojama pagal fizines ir stebimųjų duomenų sąlygas. Tai leidžia įtraukti tiek skirtingas medžiagų sudėtis (silikatai, geležis, vandens/šlapios fazės, vandenilio-heliumo atmosferos sluoksniai), tiek ir įvairius suskirstymus bei gradientes, kuriuos anksčiau fiksuodavo standūs trijų sluoksnių modeliai. Be to, toks požiūris palengvina jautrumo analizę: galima nustatyti, kurios fizinės savybės (pvz., medžiagų lygties būklės, phase transitions) daro didžiausią įtaką gravitaciniams momentams arba spinduliui.
Magnetiniai paslaptys ir vidiniai ženklai
Tyrimas taip pat siūlo naujus paaiškinimus šių planetų painioms magnetinėms lauko konfigūracijoms. Skirtingai nuo Žemės, kuri turi daugiausia dipolinį lauką, orientuotą netoli sukimosi ašies, Uranas ir Neptūnas demonstruoja daugiažidžius, pasvirusius laukus. Cūricho modeliai natūraliai generuoja vadinamuosius "jonizuoto vandens" (angl. ionic water) sluoksnius — regionus, kuriuose vanduo dalinasi, sukuria judančių įkrovų terpę ir tampa elektra laidžia. Tokie sluoksniai gali egzistuoti gyliau, kur slėgiai ir temperatūros sukuria sąlygas dinamo mechanizmui, gaminančiam ne-dipolinę geometriją.
Modeliai rodo, kad Uranui būdingas dinamo regionas gali būti gilesnis nei Neptūnui, o tai padeda paaiškinti stebimų magnetinių parašų skirtumus. Magnetinio lauko morfologija yra svarbus nepriklausomas vidinės struktūros ribojimas: skirtingos vidinės medžiagų sudėtys ir sąlygos lemia, kur ir kaip generuojamas dinamo efektas. Todėl aukštos raiškos magnetinio lauko žemėlapiai — kuriuos galima gauti tik tiesioginiais arba orbitiniais matavimais — reikšmingai susiaurintų priimtinų modelių erdvę.
Be to, magnetometrija kartu su gravitacijos lauko detalių fiksavimu leidžia susieti geografinius ir dinamikos parametrus: pavyzdžiui, ar tam tikras magnetinis komponentas susijęs su konvekciniais srautais vidiniame sluoksnyje ar su diferenciaciniu sukimusi atmosferos viršutinėse dalyse. Šios jungtys suteikia papildomų kryžminių patikrinimų vidinių profilių patikimumui.
Ką vis dar nežinome ir kodėl misijos svarbios
Nors šis modelinis žingsnis yra reikšmingas, išlieka esminių neapibrėžtumų. Medžiagų fizika ekstremaliuose slėgiuose ir temperatūrose, būdinga tiek ledui turtingoms, tiek uolienoms turtingoms milžinėms, tebėra silpnai žinoma. Laboratoriniai eksperimentai (pvz., diamentinio priežiūros kameros, šoko kompresijos bandymai) ir pažangios pirmųjų principų skaičiavimų metodikos (pvz., density functional theory, DFT) pamažu gerina lygtis būklei (EOS) įvairioms mišrioms fazėms, tačiau tikriems planetos vidaus sąlygoms atkurti reikia dar daugiau duomenų. Kaip pažymi tyrimo vadovaujantis daktaro studentas Luca Morf, medžiagų elgsena esant branduolio sąlygoms gali reikšmingai pakeisti modelių rezultatus.
Projektą inicijavusi profesorė Ravit Helled pabrėžia, kad dabartiniai duomenys leidžia egzistuoti tiek uolienims dominuojančioms, tiek ledinėms scenarijoms, todėl reikalingos specializuotos kosminės misijos, galinčios išspręsti šias alternatyvas. Tokios misijos galėtų suteikti tikslius gravitacijos harmonikų, magnetinių laukų, akustinių (planetinės seismologijos arba „ringing“ stebėjimų) ir atmosferos cheminės sudėties matavimus. Radio mokslo eksperimentai ir orbitiniai trajektorijų koreliavimai teikia masės pasiskirstymo informaciją, o aukštos tikslumo spektrometrai — duomenis apie metano, amoniako, vandens garų ir sunkių elementų abundancijas.
Numatomi misijų koncepcijos variantai, kurie galėtų suktis aplink arba praskristi pro Uraną ir Neptūną, galėtų atnešti reikšmingą pažangą. Orbiteris su radio mokslo instrumentais, daugiašvente magnetometrija ir ilgalaikiais atmosferos profiliavimo priemonėmis leistų sujungti skirtingas matavimo sritis ir taip smarkiai susiaurinti priimtinų vidaus struktūrų erdvę. Jei būtų siunčiamas ir prilietimo modulis arba tikslus atmosferos zondas, tiesioginiai in situ duomenys apie slėgį, temperatūrą ir chemiją leistų palyginti modelių prielaidas su realybe.
Be instrumentinių apribojimų, likusios politinės ir finansinės kliūtys taip pat lemia, kada tokios misijos taps realybe. Visgi tarptautinis palaikymas ir aukščiausios klasės technologinis vystymas (įskaitant radijoisotopinius šaltinius, ilgalaikį veikimą šaltose, tolimosios navigacijos galimybes) didina šansus, kad ateinančiose dešimtmetėse sulauksime naujo rato išsamios informacijos apie išorinius mūsų sistemos narius.
Techniniai niuansai, kurie formuoja sprendimus
Kontekstualiai svarbu pažymėti kelis techninius aspektus, kurie dažnai lemia modelių interpretacijas:
- Gravitaciniai momentai (J2, J4 ir kt.): šie harmonikai atskleidžia masės pasiskirstymo asimetrijas ir yra jautrūs tiek koncentriniams branduoliams, tiek masės gradientams mantijoje.
- Medžiagų lygtis būklei (EOS): silikatų, geležies, ledinių mišinių ir vandenilio-heliumo EOS formuoja tankio-spindulio ryšius ir lemia, kaip medžiagos reaguoja į didžiulius slėgius.
- Fazės perėjimai ir superjoninės fazės: vanduo ir kiti "ledai" gali pereiti į superjonines arba net plazmines fazes, kurios smarkiai pakeičia laidumą ir šiluminį perdavimą.
- Dinamo mechanika: konvekciniai srautai ir laidumas lemia magnetinio lauko geometriją; skirtingos vidinės sudėtys sudaro skirtingas dinamo sąlygas.
- Modelių degeneracija: skirtingos sudėtys gali duoti panašius gravitacijos ir spindulio parametrus, todėl reikia papildomų duomenų (magnetometrijos, atmosferinės chemijos, seismologijos), kad būtų pašalinta nežinomybė.
Supratimas apie šiuos elementus ir jų tarpusavio ryšius leidžia struktūriškai vertinti, kodėl agnostinis atsitiktinių profilių metodas padidina modelių lankstumą ir leidžia savarankiškai atrasti netikėtas sprendimo erdves, kurių anksčiau nepastebėjo standartiniai trijų sluoksnių modeliai.
Išvados ir tolesnės perspektyvos
Iki tol, kol negausime papildomų tiesioginių stebėjimų, šis Cūricho tyrimas veikia kaip aiški priminimas: planetų kategorijos yra naudingas santrumpas, bet jos dažnai nuoblokuoja sudėtingas realybes. Uranas ir Neptūnas išlieka mįslingi ir neštauroja staigmenų — nuo magnetinių laukų iki galimos didelės uolienų masės dalies. Modernios modelavimo priemonės, kurios sujungia statistinį atvirumą su fizikos apribojimais, dabar leidžia ištirti šią įvairovę giliau ir plačiau nei buvo įmanoma prieš dešimtmetį.
Ateities kosminės misijos, pažangios laboratorinės ir teorinės studijos bei tarpdisciplininis bendradarbiavimas — nuo geofizikos iki plazmų fizikos ir cheminės planetologijos — yra būtini, norint išsklaidyti dabartinius neaiškumus. Tik tada galėsime atsakyti į esminį klausimą: ar Uranas ir Neptūnas yra iš tikrųjų ledo milžinai, ar netikėti uolieniniai giminaičiai, kurių sandara prasilenkia su tradiciniu mokykliniu modeliu?
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą