Тайна и величие ледяных гигантов

Запуск первого искусственного спутника Земли в 1957-м году ознаменовал начало космической эры. С тех пор человечество интенсивно изучает космические окрестности. Но каким-то непонятным образом, двум планетам удалось оказаться на обочине этих исследований.

За 63 года, прошедших с запуска первого спутника, человеческое творение посетило Уран и Нептун лишь единожды. Это сделал аппарат “Вояджер-2”, совершивший пролёты около небольших планет-гигантов в 1986-м и 1989-м году соответственно. Такое стало возможно благодаря успеху миссии изначально нацеленного на изучение Юпитера и Сатурна аппарата “Вояджер-1”.

За прошедшее с 1989-го года время было предложено около дюжины концепций миссий по изучению ледяных гигантов. Ни одна из этих концепций не прошла в стадию реализации из-за банальной вещи: отсутствия научного интереса. Сообщество учёных-планетологов к ледяным гигантам относилось прохладно.

Но по словам астронома Кэндис Хансен, открытие подобных Урану и Нептуну экзопланет в совокупности с новыми вопросами о формировании Солнечной системы заставляют учёных обращать на ледяных гигантов всё больше внимания. Сейчас настало то самое время, когда стоит подумать о возвращении к ним.

Время вернуться

Решение направить “Вояджер-2” к ледяным гигантам было принято в 1981-м году. Во время пролёта мимо Юпитера, аппарат получил гравитационный “пинок”, который направил его на путь к Урану и Нептуну. Теперь у учёных есть новый шанс повторить подобный трюк в промежутке между 2029-м и 2034-м годами.

Пролёт мимо ледяных гигантов принёс много новой информации о них. Некоторые данные очень сильно удивили учёных. “Вояджер-2” нашёл у обеих планет новые спутники и кольца. На Нептуне были обнаружены сильнейшие ветра, которые увидеть никто не ожидал. А его спутник Тритон впечатлил исследователей своей активностью. Некоторые учёные полагают, что под его поверхностью может скрываться океан жидкой воды. В котором вполне мог бы кто-нибудь жить.

Кэндис Хансен была членом группы получения и обработки изображений миссии “Вояджер-2” во время пролёта Урана и Нептуна. С тех времён в её памяти осели два очень ярких момента: получение изображения выбросов (или облаков?) на Тритоне и, конечно же, фотография с Большим тёмным пятном Нептуна.

Но с ледяными гигантами до сих пор ничего не понятно. Остаётся множество загадок. Как сформировались эти планеты и как они эволюционировали на ранних этапах развития Солнечной системы? Почему у них такой необычный наклон оси вращения в сравнении с остальными планетами? Учёные хотели бы вернуться к изучению Урана и Нептуна и получить ответы на вопросы. Но хороший шанс для этого выпадает лишь сейчас: в конце этого десятилетия у исследователей появится возможность отправить космический аппарат по выгодной траектории, чтобы изучить Уран и Нептун, разгадать тайны этих планет и по-новому взглянуть на их леденящую красоту.

Мигрирующие планеты и необычные магнитосферы

Уран и Нептун называют ледяными гигантами. И это неспроста. Эти планеты вращаются на довольно большом расстоянии от Солнца и получают от светила очень мало тепла: их средняя температура составляет около двух сотен градусов ниже нуля.

Как оказалось, ледяные гиганты – один из самых распространенных типов планет во Вселенной. Их относительно легко обнаружить, поскольку они довольно крупные и оказывают заметное влияние на свою звезду. Однако, согласно современным моделям эти миры должны быть аномально редки, поскольку у них очень узкое временное окно для формирования. Протопланетная туманность – оставшееся после образования светила облако газа и пыли, из которого рождаются планеты – должно быть почти полностью рассеяно, чтобы ледяные гиганты могли притянуть к себе доступный газ и лёд. Для этого им понадобится иметь ядра солидного размера.

Изучение процессов, отвечающих за формирование Урана и Нептуна, могло бы помочь учёным больше узнать о похожих планетах у других звёзд. Согласно результатам многочисленных компьютерных симуляций, низкая плотность планетезималей и слабое гравитационное влияние Солнца во внешней части новорожденной системы довольно сильно затрудняли образование ледяных гигантов такими, какими мы их знаем сегодня.

Возможно, они образовались не в той области системы, где располагаются сейчас. Они могли, подобно Юпитеру и Сатурну, возникнуть гораздо ближе к молодому Солнцу, а затем мигрировать во внешнюю часть системы. Но вопрос формирования – не единственная странность этих планет.

Уран буквально “катится на боку”. Его ось вращения наклонена на 97,8 градуса – больше, чем у любой планеты, кроме Венеры (177,4 градуса). Каждый полюс планеты 42 земных года находится в темноте, а следующие 42 года заливается светом Солнца. На данный момент учёные полагают, что подобный наклон можно объяснить столкновением по касательной с планетезималью меньшего размера, которое могло произойти в прошлом. Эта теория также претендует на объяснение необычного магнитного поля Урана.

Дело в том, что как правило магнитосферы планет вращаются в той же плоскости, что и сами планеты. В случае с Ураном это не так. Его магнитное поле наклонено относительно оси вращения на 59 градусов и смещено относительно центра планеты на треть её радиуса. Магнитосфера Урана довольно ассиметрична.

Похожая ситуация наблюдается на Нептуне. Его магнитное поле наклонено относительно оси вращения планеты на 47 градусов и смещено относительно её центра на более чем половину радиуса.

Согласно текущим представлениям, магнитное поле планет формируется благодаря движению конвективных потоков в мантии за счёт эффекта магнитного динамо. Но странные особенности магнитосфер Урана и Нептуна учёные всё ещё до конца не понимают.

Завораживающие синие шары

Хотя вопросы, связанные с формированием этих планет и их магнитосфер, не дают покоя учёным, от полученных аппаратом “Вояджер-2” фотографий дух перехватило у всех. В ходе пролёта зонд также разгадал некоторые загадки, касающиеся атмосфер и внутренних процессов Урана и Нептуна.

Верхние слои атмосфер ледяных гигантов представляют собой одни из самых холодных мест в Солнечной системе: -224°С на Уране и -218°С на Нептуне. Холоднее только поверхность Плутона.

Но Нептун, несмотря на то, что получает от Солнца довольно мало света, обзавёлся собственной погодой. Да ещё какой! “Вояджер-2” увидел на планете тонкие белые облака, а также измерил скорость ветра в районе Большого тёмного пятна, которая составила 1609 км/ч – быстрее, чем где-либо в Солнечной системе. Большое тёмное пятно представляло собой огромный ураган размером с Землю. Он был открыт “Вояджером-2” и уже утих, но на Нептуне появились новые. Изучение этих штормов может позволить учёным заглянуть в более глубокие слои атмосферы планеты.

Газовая оболочка Урана и Нептуна в основном состоит из водорода и гелия с примесью метана. Именно метан придаёт Урану красивый аквамариновый цвет. Нептун более синий. За счёт чего – пока не ясно.

Мантии обеих планет состоят в основном из воды, аммиака и метана под высоким давлением. По сути, это глобальный жидкий электропроводник. Где-то в их глубине вода может расщепляться на водород и кислород. Ближе к ядру давление столь велико, что на части распадается и метан. Его углеродная составляющая превращается в кристаллы алмазов, которые спускаются на ядра ледяных гигантов. Да, настоящий дождь из алмазов.

Считается, что ядра Урана и Нептуна состоят из железа, никеля и силикатов. Масса Нептуна превышает земную примерно в 17 раз, тогда как его ядро примерно в 1,2 раза тяжелее нашей планеты. Ядро Урана поменьше – всего 0,55 масс Земли, тогда как сама планета имеет массу примерно в 14 земных. Несмотря на то, что всё это уже известно довольно давно, вопрос с внутренним запасом тепла у ледяных гигантов представляет большую загадку.

Уран, в отличие от других планет Солнечной системы, практически не излучает собственного тепла. В то же самое время Нептун, который находится примерно в 10 а.е. за Ураном (1 астрономическая единица представляет собой величину, равную среднему расстоянию от Солнца до Земли), излучает в 2,61 раза больше энергии, чем получает от звезды. Давнее столкновение Урана с протопланетой могло бы объяснить подобный феномен. Но астрономы до сих пор не знают, имеет ли тепловыделение обеих планет сезонный характер. Новая космическая миссия к одной из них могла бы помочь восполнить пробелы в знаниях.

Кольца: тонкие, ледяные и пыльные

Когда аппарат «Вояджер-2» пролетел мимо Урана и Нептуна, он не просто дал новый взгляд на эти гигантские миры. Он также дал нам первое представление об их кольцах.

Как и все планеты-гиганты в нашей солнечной системе, Уран и Нептун окружены системой колец. В 1977-м году астроном Джеймс Эллиотт открыл пять колец Урана. Уран стал второй планетой после Сатурна, у которой были обнаружены кольца. С помощью дальнейших наблюдений с Земли учёным удалось открыть ещё четыре. А достигший Урана в 1986-м году «Вояджер-2» открыл десятое кольцо. На данный момент известно, что у Урана есть система из тринадцати колец различной степени толщины и прозрачности.

Некоторые из небольших спутников Урана поддерживают постоянную форму колец, по всей видимости, выступая в роли гравитационных “пастухов”. Большая часть колец сформирована частицами размером от 20 сантиметров до 20 метров. Вероятно, они состоят из водяного льда с примесью образовавшейся в ходе воздействия космического излучения органики. Система колец, скорее всего, имеет возраст около 600 миллионов лет. Такой вывод планетологи сделали исходя из наблюдений экзосферы планеты, проведёнными аппаратом “Вояджер-2”. Вероятно, кольца сформировались в результате столкновений древних спутников планеты.

Обнаружение колец Урана заставило астрономов повнимательнее присмотреться к его собрату Нептуну. Несмотря на то, что некоторые учёные заявляли об обнаружении неполных кольцевых дуг, окончательно удостовериться в наличии у Нептуна колец удалось лишь с прибытием к нему аппарата “Вояджер-2”. Пять колец планеты – Галле, Леверье, Лассель, Араго и Адамс – названы в честь астрономов, которые сделали важные открытия, касающиеся Нептуна. Иоганн Готфрид Галле, Урбен Жан Жозеф Леверье и Джон Коуч Адамс открыли планету в 1846 году, причём независимо друг от друга. Сделали они это при помощи математики: Нептун стал первой планетой Солнечной системы, открытой подобным образом. Исследовать аномалии движения Урана, которые намекали на существование Нептуна, Жозефу Леверье предложил Франсуа Араго. А Уильям Лассел открыл Тритон.

Как выяснилось, ранее открытые неполные кольцевые дуги являлись наиболее плотными частями кольца Адамса. В кольцах Нептуна больше пыли, чем в кольцах Урана, а сама система скорее напоминает аналогичную у Юпитера. Чтобы увидеть кольца отчётливо, свет от Нептуна необходимо заблокировать.

Одиночный пролёт аппарат “Вояджер-2” помог учёным открыть кольца ледяных гигантов. Новая миссия могла бы пролить свет на их структуру и возраст.

Спутники маленькие и большие

Кроме колец у каждого из ледяных гигантов имеется система из более чем дюжины спутников. И один из них может дать учёным повод вернуться к изучению Урана и Нептуна.

27 спутников Урана скрывают множество загадок. Поверхность Миранды – спутника, который по диаметру в 7 раз меньше нашей Луны – будто бы составлена из совершенно различных кусочков и имеет ущелье в 12 раз более глубокое, чем Большой каньон в Аризоне. А Ариэль, который в два раза крупнее Миранды, среди других лун Урана имеет самую молодую поверхность.

У Нептуна всего 14 известных спутников. Самые внешние из них – Несо и Псамаф – имеют размеры в 60 и 40 километров соответственно. Хотя они и не являются самыми маленькими спутниками в Солнечной системе (это место занимает 12-километровый спутник Марса Деймос), они довольно сильно удалены от своей планеты: Несо находится на расстоянии в 49 миллионов километров от Нептуна (примерно треть расстояния от Земли до Солнца). Этому спутнику требуется 27 лет, чтобы совершить один оборот вокруг своей планеты. Псамаф же находится на расстоянии в 48 миллионов километров от ледяного гиганта.

Самый большой спутник Нептуна – Тритон – является настоящей достопримечательностью. Он крупнее Плутона и представляет собой единственный из крупных спутников Солнечной системы, вращающихся вокруг своей планеты по ретроградной орбите. “Вояджер-2” обнаружил, что поверхность Тритона довольно молодая, а сама луна геологически активна и может скрывать под поверхностью океан жидкой воды. Из-за вышеперечисленных особенностей учёные полагают, что Тритон может являться объектом, захваченным из пояса Койпера. Хотя возможно, что Нептун “украл” его у другой планеты на ранних этапах развития Солнечной системы.

У Тритона одна из самых плотных атмосфер среди крупных спутников. Но всё же, она значительно тоньше земной. Газовая оболочка состоит из азота, метана и окиси углерода. Вероятно, она образовалась в результате вулканической активности. Тритон – одно из трёх тел Солнечной системы, в настоящее время обладающих этой особенностью. Свидетельства о геологической активности спутника указывают на существование океана жидкой воды под его поверхностью. Среди других океанических миров Тритон был определён NASA как один из наилучших кандидатов для изучения в ближайшие десятилетия. То что надо для того чтобы вернуться к изучению ледяных гигантов.

Trident: миссия к Тритону

В рамках программы NASA Discovery новая миссия к ледяным гигантам может быть реализована уже в ближайшее время. Начатая в 1992-м году программа, даёт учёным возможность представить недорогие и инновационные способы исследовать Солнечную систему.

Период подачи заявлений на программу начался в августе 2017-го. Небольшая группа учёных из Лаборатории реактивного движения NASA провела мозговой штурм и выдвинула концепцию Trident – миссии по изучению Нептуна и Тритона. Соавтор инициативы Карл Митчелл отметил, что путь от идеи до оформленного проекта прошёл довольно быстро.

Аппарат миссии Trident должен совершить близкий пролёт около Тритона, на расстоянии примерно в 500 километров. Он будет нацелен на составление карты поверхности спутника, изучение его геологической активности и возможного магнитного поля. Для выполнения этой задачи зонду потребуется множество научных приборов, в том числе магнитометр, узко- и широкоугольные камеры и плазменный спектрометр.

В феврале прошлого года NASA выбрало проект Trident в качестве одного из четырёх полуфиналистов в программе Discovery. Команда проекта посетит NASA в феврале-марте этого года для продвижения своей концепции. После этого агентство сделает выбор о том, какие проекты будут превращены в реальные миссии.

Хотелось бы, чтобы Trident стал одной из таких миссий. Потому что нам пришло время вернуться к изучению ледяных гигантов с их многочисленными тайнами и загадками.

Перевод: Марк Романов