Уран и Нептун: два разных мира

Странные вещи происходили во внешней части Солнечной системы, когда она только зарождалась. ледяные гиганты, Уран и Нептун — две самые удаленные планеты в семействе нашего Солнца, и они очень похожи по размеру, массе, составу и удаленности от нашей звезды. Два далеких мира заметно отличаются от квартета малых скалистых внутренних планет — Меркурия, Венеры, Земли и Марса — а также от газовых гигантов Юпитера и Сатурна. А ТАКЖЕвеликаны планеты, содержащие элементы тяжелее водорода и гелия, такие как кислород, углерод, азот и сера. Хотя две планеты должны быть почти идентичными близнецами, это не так. В феврале 2020 года группа планетологов из Цюрихского университета в Берне, Швейцария, сообщила прессе, что, по их мнению, они выяснили, почему.

«Между двумя планетами существуют… поразительные различия, которые требуют объяснения», — прокомментировал доктор Кристиан Рейнхардт в феврале 2020 года. Планеты прэсс издание. Доктор Рейнхардт изучал Уран и Нептун вместе с доктором Алисой Чау, доктором Иоахимом Штаделем и доктором Равитом Хелледом, которые все планета члены, работающие в Цюрихском университете, Институт вычислительных наук.

Доктор Штадель прокомментировал то же самое. Пресс-релиз планеты что одно из поразительных различий между двумя планетами заключается в том, что «Уран и его основные спутники наклонены под углом 97 градусов к плоскости Солнца, и планета фактически вращается назад к Солнцу».

Тем более, что спутниковые системы дальнего дуэта другие. Основные спутники Урана находятся на правильных орбитах и ​​наклонены относительно планеты, что позволяет предположить, что они образовались из диска, подобного земной Луне. Напротив, Тритон — самый большой спутник Нептуна — сильно наклонен и поэтому считается захваченным объектом. Тритон также показывает важное сходство с дальним. ледяная карликовая планета, Плутон, предполагая, что они оба могли родиться в одном и том же регионе… пояс Койпера он находится за пределами орбиты Нептуна и является холодным, тускло освещенным домом бесчисленных ядер комет, маленьких меньших планет и других замороженных тел. Планетологи предсказывают, что в будущем орбита Тритона схлопнется до такой степени, что он столкнется со своей приемной родной планетой.

Помимо прочих различий, Уран и Нептун также могут различаться тепловым потоком и внутренней структурой.

Ледяные гиганты

В астрофизике и планетологии термин «мороженое» относится к летучим химическим веществам с температурой замерзания выше примерно 100 К. Эти соединения включают воду, аммиак и метан с температурами замерзания 273 К, 195 К и 91 К соответственно. , ученые впервые поняли, что Уран и Нептун — это отдельный класс планет-гигантов, сильно отличающийся от двух других гигантских обитателей нашей Солнечной семьи, Юпитера и Сатурна. Компонентные отношения дуэта ледяные гиганты они были твердыми, когда они были первоначально включены в две планеты во время их древнего формирования — либо непосредственно в виде льда, либо в водяном льду. В настоящее время очень мало воды на Уране и Нептуне осталось в виде льда. Вместо этого вода существует в основном как сверхкритическая жидкость при содержащихся в ней температурах и давлениях.

Общий состав дуэта ледяные гиганты это только около 20% водорода и гелия по весу. Это существенно отличается от состава двух газовых гигантов нашей Солнечной системы. Юпитер и Сатурн содержат более 90% по весу водорода и гелия.

Моделирование истории формирования земных и газовых гигантов, населяющих нашу Солнечную систему, относительно просто. Принято считать, что квартет планет земной группы родился в результате столкновений и слияний планетезимали в пределах протопланетный аккреционный диск. аккреционный диск Солнце, окружавшее наше новорождённое Солнце, состояло из газа и пыли, а чрезвычайно мелкие частицы пыли обладали естественной «липкостью». Мелкие частицы пыли сталкивались и сливались вместе, образуя тела, которые постепенно росли — от размера гальки до размера валуна, до размера Луны и, в конечном итоге, до размера планеты. Рокки и металлик планетезимали первичная солнечная система послужила «семенем», из которого выросли земные планеты. Астероиды — это давние реликвии этого когда-то многочисленного каменного и металлического населения. планетезимали который в конечном итоге стал Меркурием, Венерой, Землей и Марсом.

Напротив, считается, что два газовых гиганта нашей Солнечной системы, а также внесолнечные газовые гиганты, вращающиеся вокруг звезд за пределами нашего Солнца, развились после образования твердых ядер, которые весили примерно в 10 раз больше. масса Земли. Следовательно, ядра газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, образовались в результате того же процесса, что и земные планеты…при аккреции тяжелых газовых оболочек из окружающей солнечной туманности в течение нескольких миллионов — нескольких миллионов лет. Однако недавно были предложены альтернативные модели формирования ядра, основанные на аккреции гальки. С другой стороны, некоторые гигантские экзопланеты могли образоваться под действием гравитации. увеличивать диск нестабильность.

Рождение Урана и Нептуна в подобном процессе аккреции ядер гораздо сложнее и проблематичнее. Скорость убегания для небольшого простейшего протопланеты (все еще формирующие детские планеты), расположенные около 20 астрономические единицы (а.е.) от центра нашей Солнечной системы были бы сравнимы с их относительными скоростями. Такие тела, пересекающие орбиты Юпитера или Сатурна, вполне могли быть посланы по гиперболическим траекториям, запускавшим их от нашего воющего Солнца в ледяную тьму межзвездного пространства. В качестве альтернативы, такие тела, если они попадут в ловушку дуэта газовых гигантов, скорее всего, прирастут к Юпитеру или Сатурну или будут выброшены на далекие кометные орбиты за пределами Нептуна. Один АС равно среднему расстоянию между Землей и Солнцем, которое составляет примерно 93 000 000 миль.

С 2004 года, несмотря на проблематичное моделирование их формирования, многие незнакомые ледяной гигант Кандидатов наблюдали на орбитах далеких звезд. Это говорит о том, что они могут быть обычными обитателями нашего Млечного Пути.

С учетом орбитальных задач протопланеты расположен 20 АС или дальше от центра Солнечной системы, вполне вероятно, что Уран и Нептун родились между орбитами Юпитера и Сатурна, прежде чем были рассеяны под действием гравитации в более отдаленные, темные и морозные области нашей Солнечной семьи.

Два разных мира

«Часто предполагается, что две планеты образовались схожим образом», — отметила доктор Элис Чау в феврале 2020 года. Пресс-релиз PlanetS. Это, вероятно, объясняет их схожий состав, средние орбитальные расстояния от Солнца и родственные им массы.

Но как объяснить различия между ними?

Наша первобытная солнечная система была «космическим тиром», и столкновения с разбитыми объектами были частыми — и то же самое верно для чужеродных планетных систем за пределами нашего Солнца. По этой причине катастрофический удар гиганта ранее предполагался как источник загадочных различий между Ураном и Нептуном. Однако предыдущая работа касалась только воздействия на Уран или была ограничена из-за значительного упрощения расчетов воздействия.

Группа планетологов из Цюрихского университета впервые изучила ряд различных столкновений на Земле. Оба Уран и Нептун с использованием компьютерного моделирования с высоким разрешением. Начиная с очень похожего начального воздействия ледяные гиганты продемонстрировал, что удар тела массой в 1-3 раза больше массы Земли на Оба Уран и Нептун могут объяснить различия.

В случае с Ураном столкновение на пастбище наклонит планету, но не повлияет на ее внутреннюю часть. Напротив, лобовое столкновение Нептуна в прошлом повлияло бы на его внутреннюю часть, но не создало бы диск. Это согласуется с отсутствием больших спутников на обычных орбитах, наблюдаемых у Нептуна. О таком катастрофическом столкновении, которое потрясло недра травмированной планеты, свидетельствует и больший наблюдаемый тепловой поток Нептуна.

Будущие миссии НАСА и Европейского космического агентства (ЕКА) к Урану и Нептуну могут предоставить новые и важные ограничения для этих сценариев, улучшить наше понимание формирования Солнечной системы и предоставить астрономам лучшее понимание экзопланет в этом конкретном диапазоне масс.

«Мы ясно показываем, что изначально сходный путь формирования Урана и Нептуна может привести к дихотомии, наблюдаемой в свойствах этих удивительных внешних планет», — прокомментировал прессе доктор Равит Хеллед в феврале 2020 года.

Это исследование было опубликовано в выпуске от 22.11.2019. Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества (MNRAS) озаглавленный «Бифуркация в истории Урана и Нептуна: роль планет-гигантов».