Планетний вчений пропонує альтернативну теорію для того, що лежить під поверхнями Урана та Нептуна

Діамантовий дощ? Суперріонна вода? Це лише дві пропозиції, які планетарні вчені придумали для того, що лежить під товстими, синювальними, водневими та геліємними атмосферами Урана та Нептуна, унікальними, але поверхово, м’якими, крижаними гігантами нашої Сонячної системи.

Планетний вчений з Каліфорнійського університету, Берклі, тепер пропонує альтернативну теорію – що інтер’єри обох цих планет шарувати, і що два шари, як нафта і вода, не змішуються. Ця конфігурація акуратно пояснює незвичайні магнітні поля планет і означає, що раніше теорії інтер’єрів навряд чи будуть правдивими.

У статті, що з’являється в журналі Праці Національної академії наукБурхард мілітцар стверджує, що глибокий океан води лежить трохи нижче хмарних шарів і, нижче цього, високо стисненої рідини вуглецю, азоту та водню.

Комп’ютерні моделювання показують, що при температурі та тиску інтер’єрів планет, поєднання води (h₂O), метан (ch₃) та аміак (NH₃), природно, відокремлюється на два шари, насамперед тому, що водень буде вичавлений з метану та аміаку, що складає велику частину глибокого інтер’єру.

Ці не змістивні шари пояснювали б, чому ні Уран, ні Нептун не мають магнітного поля, як Земля. Це було одне з дивовижних відкриттів про крижані гіганти нашої Сонячної системи, зроблені місією Voyager 2 наприкінці 1980 -х.

“Зараз у нас є хороша теорія, чому уран і Нептун мають справді різні поля, і це дуже відрізняється від Землі, Юпітера та Сатурна”, – сказав Міліцер, професор Землі та планетарні науки UC. “Ми цього раніше не знали. Це як нафта і вода, крім того, що масло опускається нижче, оскільки водень втрачається”.

Якщо інші зіркові системи мають подібні композиції з нашими, сказав Міліцер, крижані гіганти навколо цих зірок цілком можуть мати подібні внутрішні структури. Планети про розмір Урана та Нептуна-так звані планети піднептун-є одними з найпоширеніших екзопланетів, виявлених на сьогоднішній день.

Конвекція призводить до магнітних полів

Як планета охолоне з поверхні вниз, холодний і щільніший матеріал опускається, тоді як краплі гарячої рідини піднімаються, як кипляча вода – процес, який називається конвекцією. Якщо інтер’єр проводиться електрично, товстий шар конвекційного матеріалу генерує дипольне магнітне поле, подібне до штангового магніту.

Дипольне поле Землі, створене його рідким зовнішнім залізним ядром, створює магнітне поле, яке петлі від Північного полюса до Південного полюса і є причиною того, що компенсує спрямування до полюсів.

Але Voyager 2 виявив, що жоден з двох крижаних гігантів не має такого дипольного поля, лише неорганізованих магнітних поля. Це означає, що в глибоких інтер’єрах планети немає конвективного руху матеріалу.

Щоб пояснити ці спостереження, дві окремі дослідницькі групи запропонували більше 20 років тому, що у планет повинні бути шари, які не можуть змішувати, запобігаючи масштабній конвекції та глобальному диполярному магнітному поля. Конвекція в одному з шарів може створити неорганізоване магнітне поле. Але жодна група не могла пояснити, з чого були зроблені ці не змішувальні шари.

Десять років тому Міліцер неодноразово намагався вирішити проблему, використовуючи комп’ютерне моделювання близько 100 атомів з пропорціями вуглецю, кисню, азоту та водню, що відображають відомий склад елементів у ранній сонячній системі.

При тиску та температурі, прогнозованих для інтер’єрів планети – 3,4 мільйона разів рази атмосферного тиску Землі та 4750 Кельвін (~ 8000 ° F) відповідно – він не міг знайти спосіб формування шарів.

Однак минулого року за допомогою машинного навчання він зміг запустити комп’ютерну модель, що імітує поведінку 540 атомів і, на його подив, виявив, що шари природно утворюються, коли атоми нагріваються та стискаються.

“Одного разу я подивився на модель, і вода відокремлювалася від вуглецю та азоту. Те, що я не міг зробити 10 років тому, зараз відбувається”, – сказав він. “Я подумав:” Вау! Тепер я знаю, чому шари утворюються: один багатий на воду, а другий багатий вуглецем, а в Уран і Нептун-це багата вуглець, що знаходиться внизу. Важка частина залишається внизу, а більш легка частина залишається зверху і не може робити жодної конвекції “.”

“Я не міг це виявити, не маючи великої системи атомів, і великої системи, яку я не міг імітувати 10 років тому”, – додав він.

Кількість вичавленого водню збільшується з тиском і глибиною, утворюючи стабільно стратифікований шар вуглецевого азогену-водного водного водного водного водного водного водного водного, майже як пластиковий полімер, сказав він. У той час як верхній, багатий водяним шаром, ймовірно, конвиться для отримання спостережуваного неорганізованого магнітного поля, тим глибший, стратифікований шар, багатий вуглецеводом, не може.

Коли він моделював гравітацію, вироблену шаруватою Ураном та Нептуном, поля гравітації відповідали тим, виміряним Voyager 2 майже 40 років тому.

“Якщо ви запитаєте моїх колег:” Як ви думаєте, пояснює поля Урана та Нептуна? ” Вони можуть сказати: “Ну, можливо, це діамантовий дощ, але, можливо, саме ця водна власність, яку ми називаємо Superionic”, – сказав він. “З моєї точки зору, це не правдоподібно. Але якщо ми маємо це розділення на два окремі шари, це повинно пояснити це”.

Міліцер прогнозує, що внизу атмосфери товщиною 3000 миль урана лежить багатий водяним шаром товщиною близько 5000 миль і нижче, ніж багатий вуглеводні шару також близько 5000 миль. Його скелясте ядро ​​- це розмір планети Меркурій.

Хоча Нептун є більш масивним, ніж Уран, він менший діаметр, з тоншою атмосферою, але аналогічно товстими шарами, багатими на воду та вуглеводу. Його скелясте ядро ​​трохи більше, ніж у Урана, приблизно розміром з Марса.

Він сподівається співпрацювати з колегами, які можуть протестувати з лабораторними експериментами при надзвичайно високих температурах і тиснути, чи утворюються шари в рідинах з пропорціями елементів, виявлених у протосолярній системі.

Запропонована місія НАСА до Урана також може забезпечити підтвердження, якщо космічний корабель має на борту доплерівського зображення для вимірювання вібрацій планети. Мілзер сказав, що багатошарова планета вібрує на різних частотах, ніж конвекторна планета.

Наступний його проект – використовувати його обчислювальну модель, щоб обчислити, як відрізняться планетарні коливання.