Уран и Нептун

Валерия Сирота

«Квантик» №9 и №10, 2017

Они похожи почти как близнецы: практически одинаковые размеры, очень близкие массы и периоды вращения, очень похожий состав, тонкие и слабые кольца... Есть и ещё одна вещь, которая их связывает — история их открытия.

Меркурий или Сатурн были известны людям с доисторических времён, в древнем Египте жрецы уже с лёгкостью предсказывали время и место их следующего появления. А вот Уран, хоть его вполне можно разглядеть невооружённым глазом в ясную ночь, никто не замечал. Из-за большого периода обращения он слишком медленно движется относительно звёзд, чтобы кто-то обратил на него внимание. Более того, со времени изобретения телескопа в 1610 году его по крайней мере 20 раз наблюдали астрономы, записывали его координаты, зарисовывали на карты — и всё равно не замечали движения. И только в 1781 году Уильям Гершель увидел «туманную звезду» и стал следить за ней, проверяя, не комета ли это. Так была впервые открыта новая планета — Уран, и скоро Пьер Симон Лаплас вычислил её орбиту, так что можно было предсказать её движение на много лет вперёд.

Но прошло ещё полвека, и оказалось, что Уран отклоняется от этой орбиты! Адамс в Англии и Леверье во Франции независимо друг от друга предположили, что это ещё одна неизвестная планета притягивает его и «сбивает с пути». Они вычислили, где искать эту невидимку, но Адамс и вычислил не так точно, и не настаивал на своих результатах. А Леверье, который сам астрономом не был, ходил от одного наблюдателя к другому, уговаривая проверить то место на небе, которое он укажет. И в конце концов Галле, у которого была недавно нарисованная карта этого участка неба, взялся сравнить её с тем, что видно в телескоп — и в первый же час нашёл сдвинувшуюся с места «звезду». Это и был Нептун — первая планета, которую сначала предсказали теоретически и только потом нашли. Оказывается, и Нептун люди видели раньше — сам Галилей несколько раз наблюдал его в свой телескоп! — но тоже не заметили, что это планета, а не звезда.

По сравнению с Юпитером и Сатурном Уран и Нептун какие-то «гиганты-маломерки». Это потому, что газа им там, вдали от Солнца, не хватило — пока они неспешно набирали массу, весь газ «расхватали» другие планеты-гиганты, а остатки разлетелись вдаль. Так что водорода и гелия на Уране и Нептуне всего процентов 10–20, что составляет 1–2 массы Земли — а не 200 или 80, как на Юпитере или Сатурне. Зато на них вполне хватило льда — похоже, тут им ещё Юпитер помог, «подбрасывая куски» из более близкой к центру и густо заполненной области. (Юпитер ведь уже тогда хулиганил и разбрасывал всё куда попало.) Причём лёд не только обычный, водяной, но и аммиачный (NH₃), и метановый (CH₄). Так что их иногда называют ледяными гигантами. Но тут надо иметь в виду, что термин этот обманчив: какой уж там лёд при таком давлении и при температуре внутри планеты несколько тысяч градусов! Это не лёд, а то, во что он давно превратился со времени падения на протопланету — очень горячая и очень плотная жидкость, похожая на земную магму, только состоящая из более лёгких молекул, которая плавно — как и на «водородных» гигантах — переходит в газ по мере приближения к поверхности.

Итак, ядро этих планет (из смеси металла и камня, а не металлическое, как на Земле, и не из металлического водорода, как на Юпитере и Сатурне) составляет по разным оценкам от 0,5 до 3 масс Земли и занимает место от центра до 1/5 радиуса, атмосфера из водорода и гелия — ещё 0,5–1,5 массы Земли и ту же 1/5 радиуса, но с внешнего края; всё остальное — мантия из «льдов». Голубой цвет обеих планет объясняется, как предполагают, присутствием в верхнем слое атмосферы примеси метана, который поглощает красные и отражает синие солнечные лучи.

Уран. Снимок с «Вояджера-2», сделанный во время солнцестояния

Но между Ураном и Нептуном есть и различия. Главное — это направление вращения. В отличие от «нормально», то есть слегка наклонённого Нептуна, Уран «ходит лёжа на боку»: его ось вращения лежит почти ровно в плоскости орбиты. Поэтому практически на всей планете полгода (то есть 42 наших года!) длится полярный день и полгода — полярная ночь (почему так — см. «Квантик» № 6 и № 7 за 2016 год). От такого равномерного и постепенного прогрева и охлаждения погода на Уране очень скучная: ни штормов, ни ураганов, ни даже разноцветных полос вдоль экватора... Когда там пролетал «Вояджер-2» — единственный до сих пор космический аппарат, приближавшийся к Урану и Нептуну, — был как раз разгар полярного лета, и ему не удалось увидеть ничего интересного. Лишь весной и осенью там хоть что-то происходит: вот недавно (равноденствие как раз только что прошло) появилось яркое облачное колечко (см. фото) и хоть какие-то пятна-вихри.

Уран. Виден белый пояс облаков и яркое облачко в другом полушарии. Снимок сделан космическим телескопом «Хаббл» сразу после равноденствия

Отчего же ось Урана так наклонилась? Никто не знает. Ведь в облаке, из которого образовались планеты, всё крутилось вокруг Солнца в одну и ту же сторону — против часовой стрелки. Вот и растущие в нём комки-планеты закручивались так же. А Уран (и ещё Венера) — нет. Как всегда в таких случаях, «ищут виноватого»: может, Уран столкнулся с чем-нибудь крупным, и это — последствия соударения. Но Венера после такого удара почти перестала вращаться, а Уран крутится быстро, только не в той плоскости. Непонятно, когда он мог так покалечиться: если это случилось, когда Уран сам ещё был небольшим, то при дальнейшем наборе массы он должен был сильно замедлить вращение — ведь всё, что на него падало, вращалось не так, как он. А если это случилось поздно, когда Уран уже был большим, то какой же это гигант должен был в него врезаться?!

А ещё Уран — самая холодная планета, холоднее даже Нептуна, который на треть дальше от Солнца: температура на поверхности опускается до 50 градусов Кельвина (примерно ?225°C). И в центре, как думают астрономы, она тоже ниже, чем у всех планет-гигантов: всего 5000 К. (Да, это почти как на краю Солнца — там 6000 К. Но не думайте, что это очень много — на Сатурне, например, температура внутри достигает 12 тысяч градусов.) Даже Нептун внутри горячее: он излучает в космос в 2,5 раза больше тепла, чем получает от Солнца. Откуда берётся излишек? Может, от распада радиоактивных элементов, а может, от просачивания более тяжёлых атомов гелия в водородной атмосфере вниз, поближе к ядру. (На Юпитере и Сатурне гелий уже давно «утонул», а на Уране и Нептуне — нет.) Уран же излучает ровно столько же, сколько получил, не добавляя ни на грош своей энергии.

Нептун с «Вояджера-2». Видно Большое тёмное пятно, облака вокруг него и небольшой шторм в южном полушарии

Почему так? Тоже неизвестно. Одни говорят, что опять виновато то столкновение, которое повернуло Уранову ось — из-за него и тепло растратилось, и Уран раньше срока остыл. Другие считают, что с Ураном-то всё в порядке, это Нептун слишком горячий для такого расстояния от Солнца — из-за большого спутника, Тритона, который «теребит» его приливными силами. Если так, то лишняя энергия «отбирается» у Тритона, орбита которого постепенно опускается всё ниже.

Что ещё у этих двух планет разное — это спутники. У Урана спутники, в общем-то, мелкие, все вместе они весят меньше половины одного нептуновского Тритона, не говоря уж о нашей Луне. Но всё-таки пять из них имеют сферическую форму. Почти все спутники (кроме совсем мелких булыжников вдали от планеты) вращаются в плоскости экватора Урана — значит, они, скорее всего, образовались вокруг него, и уже после «катастрофы» (а возможно, и благодаря ей — из появившегося в результате стройматериала). Все крупные спутники Урана состоят из смеси льда (водного, сухого и аммиачного) и камня — примерно поровну. Вероятно, они были раньше разогреты и «переплавились», так что камень опустился вниз, а лёд поднялся к поверхности. Посредине между тем и другим мог быть океан из воды, подогреваемый приливами, как у спутников Юпитера и Сатурна. У спутников поменьше он давно замёрз, а у Титании и Оберона — двух самых больших — мог сохраниться и по сей день. Правда, всё равно температура такой «воды» ненамного выше ?100°C (!) — замёрзнуть ей мешает большое давление (сверху ведь толстый ледяной панцирь) и добавки-«незамерзайки» — аммиак и разные соли.

Спутник Урана Ариэль и его каньоны

Все пять крупных спутников ужасно исцарапаны — покрыты гигантскими глубокими каньонами длиной сотни километров, шириной до 50 км и глубиной до 5 км. Самый большой каньон на Титании тянется от её экватора почти до самого полюса (1500 км). Предполагают, что эти каньоны — огромные трещины в ледяной коре — образовались при постепенном замерзании подлёдного океана: ведь вода при замерзании не сжимается (как большинство веществ), а расширяется. Каждый новый слой льда «распирал» ледяную кору и разламывал её — это похоже на образование эскарпов Меркурия, только там кора проваливалась внутрь, а тут — выталкивалась наружу. Возможно, при этом немного воды выливалось наружу и затем заливало дно трещин.

Совсем непохожи на них спутники Нептуна. Они, правда, совсем мало изучены — но и так уже видно, что один только Тритон имеет сферическую форму. Остальные — бесформенные глыбы, хотя по крайней мере два из них могли бы, судя по массе, быть шарообразными. Очевидно, они никогда не нагревались — иначе уж точно «переплавились» бы в шарики. Непохоже, чтобы эти спутники образовались вместе с планетой — видимо, они все захвачены позже.

Тритон раза в 3–4 легче Луны, занимает 7-е место по массе среди спутников. По размерам он больше Плутона, недавно лишённого звания планеты, да и по другим параметрам похож на него. При этом он — единственный из крупных спутников, который вращается вокруг своей планеты «не в ту сторону» и по сильно наклонённой орбите. И это при том, что период обращения вокруг Нептуна — всего 6 часов, то есть орбита очень низкая! Не иначе Тритон, как и остальные нептуновы спутники, не родился в этих местах, а был захвачен. Откуда же Нептун ухитрился раздобыть такого большого вассала? Из пояса Койпера.

Планет всего 8, а ещё лет десять назад говорили — 9: Плутон «разжаловали» в карликовые планеты. Дело в том, что за орбитой Нептуна обнаружили целую кучу небольших планеток, и некоторые из которых по размеру и массе очень похожи на Плутон. Чтобы не объявлять их всех планетами, пришлось придумать для них отдельную категорию — карликовые планеты. Скопление карликовых планет и малых тел за орбитой Нептуна, на расстояниях 30–50 а. е., называется поясом Койпера, по аналогии с поясом астероидов. Кстати, крупнейшее тело из пояса астероидов — Цереру — тоже перевели из астероидов в разряд карликовых планет. И, как Юпитер в поясе астероидов, Нептун наводит свои порядки в поясе Койпера, возмущая и раскачивая орбиты одних планеток и стабилизируя орбиты других. Чуть ли не весь пояс Койпера находится с ним в резонансе: например, периоды обращения Нептуна и Плутона относятся как 2:3. Их орбиты почти пересекаются, но они никогда не столкнутся именно из-за резонанса.

Кольца Урана

Возвращаясь к Тритону, заметим, что Нептун уже успел «воспитать» его — вращается Тритон синхронно (всё время «смотрит» на планету одной стороной). Замечательно, что его орбита — идеальный круг. Очевидно, раньше она была вытянутой (хотя и неизвестно, насколько), и на её «выравнивание» приливными силами пришлось затратить довольно много энергии. Эта энергия, переходя в тепло, нагревала Тритон, и до сих пор на нём действуют криовулканы, которые вместо горячей магмы извергают жидкий азот. Возможно, что под поверхностью до сих пор осталась незамёрзшая жидкость (вода с аммиаком при ?100°C). При этом на поверхности Тритона до того холодно (?235°C), что азот, который в земных условиях — только газ, там может даже выпадать в виде снега.

И Уран, и Нептун окружены кольцами, но кольца эти слабые и состоят из тёмных частиц — вид совсем не тот, что у Сатурна. По тому, какие они тонкие и какие широкие между ними промежутки (см. фото) похоже, что это останки совсем недавно разрушенных приливными силами маленьких спутников.

Вот и подошло к концу наше путешествие по восьми большим планетам Солнечной системы и их лунам. Но секреты и загадки Солнечной системы на этом, конечно, не кончаются...

Художник Мария Усеинова