Европейские и американские ученые предлагают направить космические аппараты к самым отдаленным планетам Солнечной системы — Урану и Нептуну. Они наименее изучены и до сих пор хранят множество тайн. Одна из самых интригующих — почему эти ледяные гиганты похожи на большинство экзопланет в других звездных мирах.
Забытые миры
В 1986 году "Вояджер-2" сблизился с Ураном, ровно через три года, 25 августа 1989-го — с Нептуном. Пролетая мимо планет и их спутников, американский аппарат сделал фотоснимки, измерил параметры магнитосферы и радиационных поясов, атмосферы, яркость планеты, гравитационное поле. Затем направился к границам Солнечной системы.
"Вояджер-2" — единственный аппарат, исследовавший обе планеты. Полученные сведения очень ценны, но они собраны с помощью технологий более чем полувековой давности и нуждаются в ревизии. Для сравнения: Марс изучен множеством орбитальных аппаратов, зондов и роверов. К негостеприимной Венере посылали два десятка посадочных модулей и спутников. На орбите Сатурна с 2004 года работала станция "Кассини", у Юпитера тоже есть искусственный спутник. В конце прошлого года орбитальный аппарат "БепиКоломбо" устремился к раскаленному Меркурию.
И лишь к Урану и Нептуну никогда не отправляли специальные миссии. Ученые считают, что эти планеты незаслуженно обойдены вниманием, и предлагают подробный план их исследования. Документ опубликован на Arxiv.org.
Задачи для космической миссия ЕКА и НАСА к Урану и Плутону. Ближайшая реалистичная дата запуска — в начало 2030 годов.
Горячее сердце ледяного гиганта
Уран и Нептун в 20 и 30 раз соответственно дальше от Солнца, чем Земля. Это ледяные миры, где царит вечный холод. Полярные области погружаются в темноту на десятки лет.
По размерам планеты очень близки: средний радиус Урана — 25,3 тысячи километров, масса — 14,5 земных, Нептуна — 24,6 и 17,1. Их можно считать близнецами, как Землю и Венеру. Вероятно, они родились одновременно в одном месте протопланетного облака и какое-то время развивались вместе, но потом их пути разошлись.
Обе планеты окутаны водородно-гелиевой атмосферой с заметными широтными зонами и подвижными штормами и вихрями. У Урана атмосфера довольно спокойная, что говорит о ничтожном потоке внутреннего тепла. Ветровую активность и облака заметили там относительно недавно. Примесь метана придает планете нежно-голубой цвет.
Напротив, Нептун окутан газовой оболочкой, где бушуют громы и молнии, мгновенно налетают мощные ветра. Значит, у планеты есть внутренний источник тепла, причем более мощный, чем внешний, от Солнца.
Оба небесных тела обладают очень необычными магнитосферами. У Нептуна магнитное поле закручено конусом, не совпадающим с осью вращения планеты, поэтому его называют наклонным ротатором. В нем возникают мощные радиовспышки, достигающие Земли.
Наверху — магнитное поле как у Земли, внизу — ураноподобное магнитное поле
Сплошные загадки
Ученые давно ломают голову над тем, как образовались ледяные гиганты. Дело в том, что масса их газовых атмосфер составляет примерно 15 процентов общей массы планет. Это нечто среднее между газовыми гигантами и каменными планетами земной группы. Самое простое объяснение — газ для атмосферы был захвачен из протопланетного облака в момент рождения, а не образовался из недр при формировании планеты.
Возможен и другой сценарий: оба небесных тела зародились гораздо ближе к Солнцу и затем мигрировали к окраинам, раскидав по пути остатки протопланетного облака и даже вытолкав за пределы Солнечной системы своего ледяного собрата (гипотетическую девятую планету).
Наконец, третий вариант объясняет не только разительные отличия атмосфер, потока внутреннего тепла, но и аномальный наклон оси вращения Урана к плоскости орбиты — почти 97 градусов. В далеком прошлом уже сформированный Уран столкнулся с другим космическим телом. От страшного удара изменилась ось вращения и образовался пылевой диск, в который впечатаны чуть не три десятка каменно-ледяных лун.
Космическая коллизия объяснила бы и внутреннее тепло Нептуна и его чуть большую по сравнению с близнецом массу (при меньших размерах). Достаточно сильное столкновение могло разогреть недра, добавить массу и момент инерции. У Нептуна тоже есть кольца и собственные спутники, а также один захваченный — Тритон. Если бы он не попал в поле притяжения Нептуна из пояса Койпера, был бы самой крупной карликовой планетой, опередив Плутон.
Кстати, на молодой по геологическим меркам поверхности Тритона замечены летучие соединения — азот, пары воды, углекислый газ, метан. Может ли там быть более сложная органика? Если удастся ее обнаружить и связать с активными гейзерами, то эта луна встанет в ряд с Титаном, Европой и Энцеладом, ледяными мирами, крайне привлекательными для поисков следов жизни.
Да и сами планеты, по некоторым моделям, могут скрывать под ледяной корой океаны жидкой воды.
Критические технологии
Идея миссии к Урану и Нептуну принадлежит ученым Европейского космического агентства, и они, в принципе, готовы реализовать ее сами. Проблема в том, что не все технологии ими освоены, главная загвоздка — в источнике энергии и тепла. Рассчитывать только на солнечные батареи на дистанции в два десятка астрономических единиц нельзя. Значит, нужен радиоизотопный термоэлектрический генератор. Если европейцы не сделают такой к 2028-2034 годам, когда откроется окно для запуска, придется заимствовать у США.
Архитектура миссии разработана в самых общих чертах. Ясно, что это будут два аппарата, которые несут в себе как минимум орбитальные модули и зонды для спуска через атмосферу, а как максимум еще и спускаемый аппарат. На борту — различные спектрометры, фотокамеры, геофизическое оборудование для дистанционного зондирования, датчики-анализаторы проб.
Полет к Урану займет от шести до двенадцати лет, к Нептуну — восемь-тринадцать. Разброс связан с вариантами дат запуска, архитектуры миссии, типов ракеты-носителя.
Орбитальный телескоп "Джеймс Уэбб", запуск которого отложен до марта 2021 года, отснимет обе планеты в инфракрасном диапазоне, однако не даст желаемого пространственного и временного разрешения. Новый "Хаббл" будет действовать в видимой и ультрафиолетовой области, но не ранее начала 2030-х. Наземные телескопы с 8-10-метровыми зеркалами и особенно 30-метровые телескопы следующего поколения обеспечат необходимое разрешение, но им будут доступны только наблюдения за ионосферой и атмосферой видимых полушарий, и многие фундаментальные загадки ледяных гигантов останутся неразгаданными.
Орбитальные же аппараты и зонды предоставят точные и современные данные о планетах, получить которые другими методами невозможно. Сильный аргумент в пользу такой миссии — открытие планет в других звездных системах. Из них большинство похоже на Нептун и Уран. Согласно статистике охотника за экзопланетами телескопа "Кеплер", пришедший ему на смену TESS найдет еще порядка 1500 нептуноподобных миров.
Такая распространенность ледяных гигантов в доступной нам части Галактики требует объяснения. И проще всего добыть его на ближайших к нам образцах — Уране и Нептуне.
