To tylko dwie propozycje planetologów dotyczące tego, co leży pod gęstą, niebieskawą, składającą się z wodoru i helu atmosferą Urana i Neptuna, wyjątkowych, ale z pozoru łagodnych, lodowych olbrzymów naszego Układu Słonecznego.
Planetolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley proponuje teraz alternatywną teorię – że wnętrza obu planet są warstwowe i że te dwie warstwy, podobnie jak ropa i woda, nie mieszają się. Taka konfiguracja dobrze wyjaśnia niezwykłe pola magnetyczne planet i sugeruje, że wcześniejsze teorie dotyczące wnętrz prawdopodobnie nie będą prawdziwe.
W artykule opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences Burkhard Militzer argumentuje, że tuż pod warstwami chmur znajduje się głęboki ocean wody, a pod nim wysoce sprężony płyn złożony z węgla, azotu i wodoru. Symulacje komputerowe pokazują, że pod wpływem temperatur i ciśnień panujących we wnętrzach planet, mieszanina wody (H2O), metanu (CH3) i amoniaku (NH3) w naturalny sposób rozdzieliłaby się na dwie warstwy, głównie dlatego, że wodór zostałby wyciśnięty z metanu i amoniak, który stanowi większość głębokiego wnętrza.
Te niemieszające się warstwy wyjaśniałyby, dlaczego ani Uran, ani Neptun nie mają pola magnetycznego takiego jak Ziemia. Było to jedno z zaskakujących odkryć na temat lodowych gigantów naszego Układu Słonecznego, dokonanych przez misję Voyager 2 pod koniec lat 80.
„Powiedziałbym, że mamy teraz dobrą teorię, dlaczego Uran i Neptun mają naprawdę różne pola i bardzo różnią się od Ziemi, Jowisza i Saturna” – powiedział Militzer, profesor nauk o Ziemi i planetach na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Nie wiedzieliśmy tego wcześniej. To jak olej i woda, z tą różnicą, że olej spada na dół z powodu utraty wodoru”.
Militzer powiedział, że jeśli inne układy gwiezdne mają podobny skład do naszego, lodowe olbrzymy wokół tych gwiazd mogą mieć podobną strukturę wewnętrzną. Planety wielkości Urana i Neptuna – tak zwane planety podNeptuna – należą do najczęściej odkrytych dotychczas egzoplanet.
Konwekcja prowadzi do powstania pól magnetycznych
Gdy planeta ochładza się od powierzchni w dół, zimna i gęstsza materia opada, podczas gdy plamy cieplejszego płynu unoszą się niczym wrząca woda – proces zwany konwekcją. Jeśli wnętrze przewodzi prąd, gruba warstwa materiału konwekcyjnego wygeneruje dipolowe pole magnetyczne podobne do tego, jakie wytwarza magnes sztabkowy. Pole dipolowe Ziemi, utworzone przez jej zewnętrzne, płynne żelazne jądro, wytwarza pole magnetyczne, które zapętla się od bieguna północnego do bieguna południowego i jest powodem, dla którego kompasy wskazują bieguny.
Jednak Voyager 2 odkrył, że żaden z dwóch lodowych gigantów nie ma takiego pola dipolowego, a jedynie zdezorganizowane pola magnetyczne. Oznacza to, że w głębokich wnętrzach planet nie ma ruchu konwekcyjnego materii w grubej warstwie.
Aby wyjaśnić te obserwacje, ponad 20 lat temu dwie odrębne grupy badawcze zaproponowały, że planety muszą mieć warstwy, które nie mogą się mieszać, co zapobiega konwekcji na dużą skalę i globalnemu dipolarnemu polu magnetycznemu. Konwekcja w jednej z warstw może jednak wytworzyć zdezorganizowane pole magnetyczne. Żadna z grup nie potrafiła jednak wyjaśnić, z czego zbudowane są te niezmieszające się warstwy.
Dziesięć lat temu Militzer wielokrotnie próbował rozwiązać ten problem, wykorzystując symulacje komputerowe około 100 atomów z proporcjami węgla, tlenu, azotu i wodoru, odzwierciedlającymi znany skład pierwiastków wczesnego Układu Słonecznego. Przy ciśnieniach i temperaturach przewidzianych dla wnętrz planet – odpowiednio 3,4 miliona razy wyższych od ciśnienia atmosferycznego Ziemi i 4750 kelwinów (8000°F), nie udało mu się znaleźć sposobu na uformowanie się warstw.
Jednak w zeszłym roku za pomocą uczenia maszynowego udało mu się uruchomić model komputerowy symulujący zachowanie 540 atomów i ku swojemu zdziwieniu odkrył, że warstwy tworzą się w sposób naturalny w wyniku podgrzewania i ściskania atomów.
„Pewnego dnia spojrzałem na model i zobaczyłem, że woda oddzieliła się od węgla i azotu. To, czego nie mogłem zrobić 10 lat temu, stało się teraz” – powiedział. „Pomyślałem: «Wow! Teraz wiem, dlaczego tworzą się te warstwy: jedna jest bogata w wodę, druga w węgiel, a na Uranie i Neptunie to układ bogaty w węgiel znajduje się poniżej. Ciężka część pozostaje w na dole, a lżejsza część pozostaje na górze i nie może powodować konwekcji.
„Nie mógłbym tego odkryć bez dużego systemu atomów i dużego systemu, którego nie mogłem symulować 10 lat temu” – dodał.
Ilość wyciśniętego wodoru wzrasta wraz z ciśnieniem i głębokością, tworząc stabilnie uwarstwioną warstwę węgla, azotu i wodoru, prawie przypominającą plastikowy polimer – powiedział. Podczas gdy górna, bogata w wodę warstwa prawdopodobnie konwekuje, wytwarzając obserwowane zdezorganizowane pole magnetyczne, głębsza, uwarstwiona warstwa bogata w węglowodory nie może tego zrobić.
Kiedy modelował grawitację wytwarzaną przez warstwowe Urana i Neptuna, pola grawitacyjne odpowiadały tym, które zmierzył Voyager 2 prawie 40 lat temu.
„Jeśli zapytasz moich kolegów: «Jak myślisz, co wyjaśnia pola Urana i Neptuna?» mogą powiedzieć: „No cóż, może to diamentowy deszcz, ale może to ta właściwość wody, którą nazywamy superjonową” – powiedział. „Z mojego punktu widzenia nie jest to prawdopodobne. Ale jeśli mamy do czynienia z podziałem na dwie oddzielne warstwy, to powinno to wyjaśnić”.
Militzer przewiduje, że pod atmosferą Urana o grubości 5000 mil znajduje się bogata w wodę warstwa o grubości około 8000 km, a poniżej warstwa bogata w węglowodory również o grubości około 8000 km. Jego skaliste jądro jest mniej więcej wielkości planety Merkury. Chociaż Neptun jest masywniejszy niż Uran, ma mniejszą średnicę, cieńszą atmosferę, ale podobnie grube warstwy bogate w wodę i węglowodory. Jego skaliste jądro jest nieco większe niż jądro Urana i ma mniej więcej wielkość Marsa.
Ma nadzieję na współpracę z kolegami, którzy będą w stanie sprawdzić za pomocą eksperymentów laboratoryjnych w ekstremalnie wysokich temperaturach i ciśnieniach, czy w płynach tworzą się warstwy o proporcjach pierwiastków występujących w Układzie Protosłonecznym. Proponowana przez NASA misja do Urana również mogłaby dostarczyć potwierdzenia, jeśli statek kosmiczny będzie miał na pokładzie kamerę Dopplera do pomiaru wibracji planety. Militzere powiedział, że planeta warstwowa wibrowałaby z inną częstotliwością niż planeta konwekcyjna. Jego następny projekt polega na wykorzystaniu modelu obliczeniowego do obliczenia różnic w wibracjach planet.
Badania wsparła Narodowa Fundacja Nauki (PHY-2020249) w ramach Centrum Materii pod Ciśnieniami Atomowymi.