В эпоху становления Солнечной системы Юпитер, возможно, «проглотил» формирующуюся планету, масса которой немного не дотягивала до массы современного Урана. Такое событие, если оно имело место, с успехом объясняет аномалии в структуре, составе и магнитном поле газового гиганта, выявленные в ходе миссии NASA «Juno» и в рамках наземных наблюдений. Результаты моделирования столкновения и выводы ученых представлены в журнале Nature.
«В последние два года космический аппарат «Juno» измерял гравитационное поле Юпитера с исключительной точностью. Результаты показали, что водородно-гелиевая оболочка планеты не имеет однородного состава: внутренняя часть содержит больше тяжелых элементов, чем внешняя. Мы считаем, что эта асимметрия возникла в результате лобового столкновения молодого Юпитера с планетарным зародышем, масса которого была примерно в десять раз больше массы Земли. В результате их ядра слились, а затем вновь образованное, частично перемешалось с оболочкой Юпитера. Это объясняет структуру планеты, наблюдаемую сегодня», – пишут авторы исследования.
Сегодня скалистые планеты и спутники Солнечной системы усыпаны шрамами от прошлых ударов, например, Луна покрыта многочисленными кратерами, а ее образование, кстати, также связано с катастрофическим столкновением примерно 4,5 миллиарда лет назад между Землей и массивным телом размером с Марс. Но такие события не оставляют видимых отпечатков на жидких поверхностях газовых гигантов, и судить об их бурной юности можно лишь по косвенным признакам, среди которых наклон оси вращения. У Сатурна он составляет 27 градусов, у Урана – 98 градусов, у Нептуна – 30 градусов.
Также известно, что массивные планетарные зародыши порядка десяти масс Земли должны были присутствовать в ранней Солнечной системе в большом количестве, дополняя планеты, которым удалось дожить до наших дней.
Особенный Юпитер
Однако Юпитер с его небольшим наклоном оси вращения всего в 3 градуса выбивается из общей картины и, как казалось раньше, является единственным среди четырех гигантов, оставшимся нетронутым в те жестокие времена.
«В основном Юпитер состоит из водорода и гелия. Но наблюдения за его атмосферным составом и гравитационным полем показывают, что он также содержит более тяжелые элементы в центральном ядре и оболочке, которая является жидкой и, как ожидается, в значительной степени подвержена конвекции. Поэтому для нас стало полной неожиданностью, когда зонд «Juno» указал на ее неоднородность, а также на частичное «растворение» ядра, простирающееся почти до половины радиуса планеты», – добавляют авторы исследования.
Создание такой внутренней структуры потребовало бы доставки на молодой Юпитер тяжелых элементов в количестве, эквивалентом 10 – 20 массам Земли. При этом это должно было произойти уже после образования его ядра и строго до накопления половины массы текущей газовой оболочки. Но модели формирования планет говорят, что эта гипотеза маловероятна, в ней много проблем, и она не может объяснить наблюдаемое обилие тяжелых элементов, увеличивающееся с глубиной.
Другая идея – эрозия ядра, но такой процесс имеет тенденцию к удалению любых небольших «градиентов» состава, которые зафиксированы в оболочке, а не приумножать их.
Лобовое столкновение
Решение этой проблемы, предложенное планетологом Шанг-Фейем Лю из Школы физики и астрономии при Университете в Гуанчжоу (Китай) и его командой, удивительно простое. Оно предполагает почти лобовое столкновение планетарного зародыша с плотным ядром из тяжелых элементов с формирующимся Юпитером. Затем ядра двух тел сливаются и частично смешиваются с оболочкой газового гиганта.
В рамках моделирования ученые показывают, что при охлаждении и последующем конвективном перемешивании внешней части оболочки смешиваются только некоторые тяжелые элементы, в результате чего ядро ??планеты остается относительно нетронутым. Таким образом, это событие может объяснить и частичное «растворение» ядра, обнаруженное «Juno», и глобальное изобилие тяжелых элементов в атмосфере Юпитера.
«Наша модель показывает, что жестокие столкновения довольно распространены в период формирования миров, и они могут объяснить наклоны оси вращения планет в Солнечной системе. Кроме этого, наша работа дает подсказки при поиске ответа на другой давний вопрос: как некоторые «горячие Юпитеры» накопили более 100 земных масс тяжелых элементов. Учитывая, что они очень близко расположены к своим звездам, где гравитационное притяжение светил чрезвычайно сильно, эти гигантские экзопланеты с легкостью могут собирать планетарные эмбрионы, а не выбрасывать их, и, таким образом, увеличивать содержание тяжелых элементов», – заключают авторы исследования.
