8 Minutės
Nauji modeliai, parengti Ciuricho universiteto ir NCCR PlanetS tyrėjų, rodo, kad Uranas ir Neptūnas — ilgą laiką vadinti „ledo milžinais“ — galbūt turi interjerus, kuriuose dominuoja uolieniniai, akmeniniams medžiagoms prilygstantys komponentai ir aktyvi konvekcija. Jei ši interpretacija bus patvirtinta papildomais duomenimis, tai gali pakeisti išorinės Saulės sistemos planetų klasifikaciją ir paaiškinti keistus bruožus, pavyzdžiui netipinius jų magnetinius laukus.
Pervertinant etiketę „ledo milžinas“
Dešimtmečius planetologai paprastai skirstė Saulės sistemos planetas į paprastas kategorijas: mažos, uolieninės, žemės tipo planetos arti Saulės ir didelės, gausios lakiųjų medžiagų planetos už šerkšno linijos. Jupiteris ir Saturnas tapo dujų (gas) milžinų archetipais, o Uranas bei Neptūnas tradiciškai buvo klasifikuojami kaip lediniai milžinai, nes ankstesnieji modeliai rėmėsi didele vandens, metano ir amoniako dalimi — lakiųjų medžiagų, kurios esant dideliam slėgiui vidinėse planetų dalyse sudaro aukšto slėgio „ledus“.
Visgi naujas Luca Morf ir Ravit Helled darbas meta iššūkį šiai tvarkingai kategorijai. Vietoj to, kad pradėtų nuo stiprių prielaidų apie sudėtį, mokslininkų komanda sugeneravo tūkstančius atsitiktinių tankio profilių Uranui ir Neptūnui ir išsaugojo tik tuos profilius, kurie atitiko stebėtų gravitacinių laukų bei planetų masės ir spindulio apribojimus. Toks hibridinis požiūris sujungia empirinius duomenis ir fizinį nuoseklumą, leidžiant duomenims diktuoti, kurios vidinės struktūros išlieka įmanomos.
Be to, ši metodika sumažina šališkumą, kurį gali sukelti ankstyvosios prielaidos apie medžiagų proporcijas — tai ypač svarbu, kai kalbama apie planetų tyrimus, kur tiesioginiai duomenys apie vidų yra labai riboti. Atviras, „nepriklausomas“ tankio profilių kūrimas leidžia ištirti platesnį variantų spektrą, įskaitant sprendimus, kuriuose uolieniniai komponentai sudaro reikšmingą dalį planetų masės.
Voyager 2 vaizdai: Uranas (kairėje) ir Neptūnas. (NASA/JPL-Caltech)
Kaip modeliai skiriasi ir ką tai reiškia
UZH–NCCR modeliai rodo, kad geriausiai atitinkanti vidinė struktūra nebūtinai turi būti dominuojama masyviais vandens „ledo“ sluoksniais. Vietoje to, reikšmingos uolieninių, akmenuotų medžiagų — sunkiųjų silikatų ir metalų — dalys gali atkurti išmatuotus gravitacinius laukus tuo pačiu metu atitinkant planetų spindulius ir mases. Kitaip tariant, priklausomai nuo prielaidų apie tankio profilius ir medžiagų elgseną esant ekstremaliam slėgiui, Uranas ir Neptūnas gali būti taip pat lengvai interpretuojami kaip „uolieniniai milžinai“, o ne vien tik „ledo milžinai“.
Ši perspektyva gali pakeisti mūsų supratimą apie planetų formavimąsi ir medžiagų paskirstymą už Saulės sistemos šerkšno linijos. Jei didelė uolieninių komponentų dalis yra natūrali šių planetų prigimtis, tai rodo kitas galimas chemines ir dinamines kilimo trajektorijas bei akcentuoja poreikį peržiūrėti standartiškai priimtas planetų evoliucijos schemas.
Konvekcija prieš sluoksniuotą stabilumą
Kitas svarbus rezultatas yra dinaminis: simuliacijos leidžia galinčiąsią gilųjį konvekciją planetų viduje. Konvekcija — tai procesas, kai šiltesnė, mažesnio tankio medžiaga kyla, o vėsesnė, sunkesnė leidžiasi žemyn; tai pagrindinis šilumos transporto mechanizmas Žemės mantijoje ir žvaigždžių viduje. Jeigu Uranas ir Neptūnas palaiko gilų konvektinį srautą, jų vidiniai sluoksniai būtų aktyviai perdirbami, o ne statiškai sukrauti sluoksniai — scenarijus, turintis tiesioginę įtaką terminei evoliucijai ir magnetinių laukų generavimui.
Reikia pažymėti: konvekcijos buvimas arba nebuvimas taip pat gali paaiškinti stebimas termines anomalijas tarp Uranuso ir Neptūno. Pavyzdžiui, Uranas skleidžia melancholiškai mažai vidinės šilumos palyginti su Neptūnu — tai ilgametis mįslingas skirtumas, kurį galima sieti su konvekcinius procesus slopinančiais sluoksniais arba su sudėties gradiento išsaugojimu. Sudėties gradientai, cheminė stratifikacija ar difuzinės procesų kombinacijos gali sukurti mezoskopinį barjerą, kuris lėtina vertikalų masės ir šilumos mainą.
Magnetiniai laukai ir „jonizuotas vanduo“
Nauji modeliai taip pat pateikia įtikinamą paaiškinimą Uranuso ir Neptūno keistiems magnetiniams laukams. Abi planetos turi magnetinius laukus, kurie yra stipriai ne dipoliniai ir pasvirę — su keliais polių regionais ir sudėtinga geometrija. Morf ir Helled interjeruose gali būti sluoksniai aukšto slėgio, elektros laidžios „jonizuotos“ arba „joninės“ vandens fazės, kur vyksta dinaminių srovių susidarymas (dynamo). Tai perkelia dinamą regioną nuo centro ir į sluoksniuotus apvalkalus, natūraliai generuojančius stebimus ne dipolinius, daugiašakius laukų polačius.
Jų skaičiavimai taip pat rodo, kad Uranuso dinamų sluoksnis gali būti gilesnis nei Neptūno — subtilus struktūrinis skirtumas, galintis padėti paaiškinti skirtingas magnetizmo savybes. Tokie skirtumai gali atsirasti dėl smulkių variacijų masyviųjų uolieninių komponentų pasiskirstyme, temperatūrų gradientuose ar cheminėse proporcijose, kurios moduliuoja laidumą ir turbulencinius srautus dinaminiame regione.
Be to, aukšto slėgio eksperimentai ir skaitmeniniai modeliai, tiriantys vandenį bei mišinius su amoniaku ir metanu esant šimtams gigapaskalių, palaiko idėją, kad egzistuoja laidžios vandens fazės, kurios perneša elektrinį srautą ir taip skatina magnetinio lauko generaciją ne centro srityse. Tai aiškiai susieja materialinius eksperimentus, teoretinius modelius ir stebimus magnetinius poliarinius bruožus.
Kodėl tai svarbu planetologijai ir kosminėms misijoms
Tik Voyager 2 yra aplankęs Uraną ir Neptūną artimai, o šie skrydžiai 1986 ir 1989 metais paliko daug atvirų klausimų. Be tikslių gravitacinių, magnetinių ir atmosferinių duomenų iš specialiai šių planetų orbitose ar išskirtinių zondų surinktų matavimų, vidiniai modeliai išlieka prastai apriboti ir kelios scenarijos lieka gyvybingos. UZH tyrimas pabrėžia, kaip jautrūs išvados yra modelių prielaidoms ir kokią mokslinę grąžą gali duoti būsimos misijos, galinčios tiksliau išmatuoti gravitacijos harmonikas, magnetinius laukus skirtingose platumose ir atmosferos sudėtį.
Mokslinių instrumentų rinkinys tokioms misijoms galėtų apimti aukšto tikslumo gravitometriją, magnetometrus, spektrometrus masių, radijo mokslo eksperimentus atmosferos struktūrai tirti ir įeinančių bei išeinančių dalelių detektorius. Tikslesni duomenys leistų sumažinti neapibrėžtumus modeliuose ir nustatyti, ar konkretūs tankio profiliai su uolieninėmis šerdimis arba maišytomis fazėmis iš tikrųjų atitinka stebimus parametrus.
Už Saulės sistemos ribų šis ginčas turi tiesioginę reikšmę egzoplanetų tyrimams. Uraną ir Neptūną dydžio planetos yra dažnos aplink kitas žvaigždes, o jų spindulių ir masių interpretacija reikalauja tikslių modelių apie vidinę sudėtį ir terminę istoriją. Jei uolieniniai interjerai yra dažnesni, nei manyta anksčiau, tai pakeistų mūsų vertinimus apie lakiųjų atsargų kiekį, susidarymo kelią ir galimų gyvybės palaikymui svarbių procesų dinamiką tolimuose planetų sistemos regionuose.
Technologiniu požiūriu tai taip pat lemia, kokius instrumentus turėtume prioritetizuoti būsimiems projektams. Misijos, kurios sugeba vienu metu surinkti gravitacijos, magnetizmo, atmosferos cheminės sudėties ir terminių emisijų duomenis, suteiktų holistinį vaizdą, reikalingą patikimoms išvadoms apie planetų vidų ir evoliuciją.
Eksperto įžvalga
„Skirtumas tarp ledinių ir uolieninių milžinų gali būti labiau semantinis nei esminis,“ sako daktarė Elena Park, planetologė, ne dalyvavusi šiame tyrime. „Svarbu ne tiek etiketė, kiek tai, kaip medžiagos elgiasi esant šimtams gigapaskalių slėgio ir ar šiluma gali efektyviai išeiti. Šie nauji, agnostiški modeliai verčia mus galvoti mažiau apie etiketes ir daugiau apie matomą, kiekybiškai įvertinamą struktūrą — o tai gali išspręsti tik specializuotos misijos.“
Park taip pat pabrėžė, kad teoriniai modeliai ir laboratoriniai eksperimentai turi eiti koja kojon: eksperimentai aukšto slėgio ir temperatūros sąlygose, mokslinės sintezės bandymai ir pirmprincipių skaičiavimai padeda susiaurinti medžiagų elgsenos galimybes, kurios įeina į planetų vidų modeliavimą. Toks integruotas požiūris stiprina pasitikėjimą modelių prognozėmis ir leidžia aiškiau identifikuoti reikalingus stebėjimus iš būsimos misijos.
Išvados
Morf ir Helled darbas nepervadina Uranuso ir Neptūno galutinai į uolieninius milžinus, tačiau jis performuluoja klausimą. Pašalinus stiprias pradines prielaidas ir leidžiant stebimiems apribojimams formuoti vidines sprendinius, tyrimas atveria alternatyvias, fiziškai nuosekliai suderintas scenarijas, geriau paaiškinančias kai kuriuos planetų keistumus, pavyzdžiui jų magnetinius laukus.
Rezultatai sustiprina poreikį skirti dėmesį specializuotoms Uranuso ir Neptūno misijoms, kurios galėtų surinkti reikalingus gravitacijos, magnetinius ir atmosferinius duomenis, kad būtų galima atsakyti, ar šios tolimos planetos yra ledo reliktai, uolienomis praturtinti, konvekciniai kūnai — ar kažkas tarpinio. Tokie duomenys ne tik sukeltų perversmą planetų taksonomijoje, bet ir turėtų esminę reikšmę mūsų supratimui apie planetų formavimąsi išorinėse planetų sistemose bei egzoplanetų mokslo interpretacijas.
Galiausiai, šis tyrimas yra pavyzdys, kaip atviresnės ir duomenimis grįstos modelių metodikos gali atverti netikėtas, bet pagrįstas hipotezes. Kol kas atsakymai priklauso nuo papildomų stebėjimų ir kosminių misijų, tačiau jau dabar galime sakyti, kad Uranas ir Neptūnas yra sudėtingesni ir įvairesni negu senosios klasifikacijos leido tikėtis — jų tyrimai padeda suformuoti naują, detalesnį vaizdą apie tolimąsias sistemų planetas ir jų evoliuciją.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą