Ядро Юпитера оказалось частично растворенным в металлическом водороде

Ученые построили компьютерную модель юпитерианских недр, которая, наконец, достаточно хорошо сошлась с наблюдаемыми данными. Ядро Юпитера невелико, но оболочка из металлического водорода оказалась обогащенной тяжелыми элементами, концентрация которых плавно нарастает к центру планеты.

Во внешней части Солнечной системы находятся планеты, разительно отличающиеся от нашей Земли. Привычной твердой поверхности у газовых гигантов нет, а вместо нее под облаками скрывается огромная толща газов и «льдов», испытывающая на себе сверхвысокие давления и температуры.

Согласно классической теории, газовые гиганты, к которым в нашей системе относятся Юпитер и Сатурн, состоят из трех слоев: массивной водородно-гелиевой оболочки, «мантии» из металлического водорода и сравнительно небольшого ядра из экзотических форм скал и льдов (Уран и Нептун теперь выделяют в отдельный класс – ледяные гиганты).

До недавнего времени проверить это было невозможно. Простейший способ узнать строение недр других планет — провести точное измерение гравитационного поля планеты с близкой орбиты и на его основе построить модель распределения материи внутри нее.

В XXI веке гравитационное поле гигантов, наконец, исследовали с помощью высокоточного отслеживания траектории орбитальных аппаратов — «Юноны» у Юпитера и «Кассини» у Сатурна. Предварительный анализ, вышедший в 2017 году, показал, что ранние представления о недрах Юпитера значительно расходятся с наблюдаемыми данными.

Оказалось, его ядро «растворено» в металлическом водороде: концентрация «металлов», к которым астрономы относят все элементы тяжелее гелия, при удалении от центра спадает постепенно и остается значительной примерно до половины радиуса планеты.

В новой работе международная группа, возглавляемая учеными из Нидерландского института космических исследований (SRON), провела повторное компьютерное моделирование недр Юпитера (препринт оригинальной статьи можно найти здесь). В этот раз они стремились найти самосогласованную модель, которая сможет достичь более точного совпадения как с результатами гравитационных исследований, так и с другими наблюдательными данными.

Выяснилось, что недра Юпитера разогреты чуть сильнее, чем предполагалось ранее. При этом полного их перемешивания не происходит, несмотря на «жидкое» состояние вещества. Поэтому температура облачного слоя ниже ожидаемой, а тяжелые элементы внутри планеты распределены неоднородно.

Новые модели полностью исключают и четкий переход между ядром и мантией, и его противоположность — равномерно размешанные тяжелые элементы. Их концентрация постепенно нарастает при движении вглубь, что подтверждает гипотезу «растворенного ядра».

Если предположить, согласно предыдущим исследованиям, что общая масса тяжелых элементов в составе Юпитера составляет 24-28 земных (сам Юпитер в 318 раз массивнее Земли), картина получается следующая.

Масса внутреннего ядра Юпитера, состоящего только из тяжелых элементов, не превосходит семи, а, скорее всего, четырех земных масс. Еще две — в основном водяной пар, метан, аммиак и сероводород — находятся в верхних оболочках планеты, а остальное, 15-25 земных масс, распределено по нижней мантии из металлического водорода. Там, помимо «льдов», растворены «скалы» — то, что в обычных условиях является силикатами и железными сплавами.

Новая модель, в отличие от предыдущих, согласуется и с наблюдаемым содержанием тяжелых элементов в верхней атмосфере Юпитера. Кроме того, она подтвердила, что зональные пояса ветров, наблюдаемые в телескоп как полосы на диске Юпитера, простираются далеко вглубь планеты. Они прослеживаются до глубины трех тысяч километров, где давление составляет 100 тысяч атмосфер.

Модель позволяет прояснить и механизм попадания тяжелых элементов на Юпитер при его формировании. Больше всего она согласуется с бомбардировкой планетезималями километровых размеров, а не непрерывным потоком мелкого «щебня».

Отметим, что, помимо измерения гравитационного поля, есть другой метод исследования недр, который для газовых и ледяных гигантов годится так же, как для скалистых планет и звезд, — это сейсмология. Она дает куда более точные результаты, чем гравитационный.

Только в случае тел, не имеющих твердой поверхности, измерять надо не сотрясения, а непрерывные колебания газовых оболочек небесного тела. Будем надеяться, что когда-нибудь в атмосфере Юпитера и других гигантов появятся долгоживущие зонды, которые напрямую измерят их дыхание и пульс.