Алмазные дожди и металлический водород: какие чудеса скрывают планеты Солнечной системы
На Земле трудно найти природное явление, которое бы могло удивить современных людей. Кажется, что большая часть природных чудес нашей планеты уже открыта и вполне понятна. Но за пределами Земли — даже в родной Солнечной системе — удивительных явлений ещё очень много. Увидеть их вживую пока невозможно, но благодаря космическим аппаратам о них известно уже немало. Рассказали о самых странных и интересных явлениях на планетах Солнечной системы.
Жидкий металлический водород
В недрах Юпитера и Сатурна давление и температура значительно выше, чем внутри Земли. На определённой глубине давление становится настолько огромным, что электроны отрываются от атомов водорода. В результате жидкий водород начинает проводить электричество, как металл. Это экзотическое состояние вещества известно как жидкий металлический водород. Его существование ещё в 1935 году предсказали физики Юджин Вигнер и Хиллард Белл Хантингтон.
Быстрое вращение планет заставляет этот гигантский океан металлического водорода двигаться. Эта вращающаяся электропроводящая жидкость работает как динамо-машина, генерируя мощнейшие магнитные поля вокруг Юпитера и Сатурна. Именно этот механизм объясняет, как газовые гиганты создают свои магнитные поля, которые защищают их атмосферы от солнечного ветра.
Изображение Юпитера, полученное зондом «Юнона»
Долгое время считалось, что в центре Юпитера находится небольшое твёрдое ядро из тяжёлых элементов. Однако данные аппарата «Юнона» показали, что ядро гораздо больше, чем ожидалось, и не является твёрдым. Оно частично растворено в окружающем металлическом водороде и не имеет чёткой границы, за что его назвали «разбавленным» или «нечётким». Это открытие заставило пересмотреть существовавшие модели формирования планет-гигантов.
Алмазные дожди
Атмосферы Урана и Нептуна богаты метаном, который поглощает красный свет и придаёт планетам их характерный сине-зелёный оттенок. На глубине в несколько тысяч километров давление и температура достигают таких экстремальных значений, что, согласно гипотезе, молекулы метана (CH₄) распадаются на составляющие их атомы углерода и водорода. При таком давлении углерод из их состава сжимается и может превращаться в алмазы.
Эти новорождённые алмазы, будучи плотнее окружающей среды, медленно «тонут» или «идут дождём» вглубь планеты. Теоретически, они могут образовывать на ядре гигантский алмазный слой толщиной в тысячи километров. Однако недавние лабораторные эксперименты показали, что на процесс образования алмазов могут влиять другие материалы, находящиеся в окружающей среде. Поэтому эта красивая гипотеза нуждается в более тщательной проверке.
Ещё одна загадка ледяных гигантов — их внутреннее тепло. Нептун излучает почти в 2,7 раза больше тепла, чем получает от Солнца, в то время как Уран — нет. Причина такой разницы между двумя похожими планетами до сих пор не ясна и указывает на фундаментальные различия в их внутренней динамике или истории формирования.
Метановые моря Титана
Титан, крупнейший спутник Сатурна, — единственное тело в Солнечной системе, кроме Земли, где есть стабильная жидкость на поверхности. Его атмосфера, состоящая в основном из азота и метана, плотнее земной. Данные миссии «Кассини-Гюйгенс» показали, что поверхность Титана покрыта реками, озёрами и морями из жидкого метана и этана.
Моря из метана на Титане в представлении художника
На Титане существует углеводородный цикл, похожий на круговорот воды на Земле: там идут дожди из метана, которые пополняют местные водоёмы. Несмотря на чрезвычайно низкую температуру, около -180 °C, климатически Титан считается самым «землеподобным» телом после нашей планеты. Кроме того, есть данные о существовании под его ледяной корой глобального океана из жидкой воды и аммиака, что делает Титан потенциально обитаемым миром.
Гелиевые дожди на Сатурне
Внутренние области Сатурна холоднее, чем у Юпитера. В этих условиях жидкий гелий плохо смешивается с жидким водородом и конденсируется в капли, подобно тому как водяной пар на Земле превращается в туман. Это явление приводит к «гелиевым дождям» в недрах Сатурна.
Более плотные капли гелия опускаются к центру планеты, и гравитация Сатурна сжимает и нагревает их. Высвобождаемая при этом гравитационная энергия служит одним из основных источников внутреннего тепла газового гиганта. Именно этот процесс объясняет, почему Сатурн излучает больше энергии, чем получает от Солнца. Новые модели также показывают, что этот слой гелиевого дождя может быть причиной уникальной симметрии магнитного поля Сатурна.
Ледяные горы Плутона
В 2015 году аппарат «Новые горизонты» смог сфотографировать монументальные пики из водяного льда, возвышающиеся на 3–4 километра над равниной Спутника. Из-за того, что температура поверхности Плутона опускается до −230 °C, водяной лёд здесь существует в экзотической модификации, которая намного прочнее земного льда. Из этого материала на Плутоне состоят целые гряды и каньоны, напоминающие земные горные хребты. Эти структуры ярко контрастируют с более мягкими равнинами из замёрзшего азота, которые окружают массивы ледяных гор.
Снимок заката на Плутоне, сделанный зондом «Новые горизонты»
Ледяные горы на Плутоне сконструированы из «текучих» криовулканических пород, где водяной лёд играет роль базальта на Земле. Подобная «криоскальная» кора подвергается медленной тектонике: края гор обрушаются и сползают, образуя обломочные «ледяные осыпи». Геометрия склонов позволила учёным оценить прочность материала и скорость его эрозии — оказалось, что этот лёд сохраняет устойчивую форму на протяжении миллионов лет, несмотря на тонкую атмосферу Плутона.
Азотные гейзеры Тритона
Азотные гейзеры Тритона впервые были запечатлены аппаратом «Вояджер‑2» в августе 1989 года: на одном из полюсов спутника учёные увидели тонкие струи замёрзшего азота, поднимающиеся на высоту до восьми километров. Эти фонтанирующие потоки исходят из тёмных пятен, похожих на щели или разломы в тонкой корке из азотного льда, и создают над поверхностью Тритона ледяное «дымное» облачко.
Механизм их работы коренным образом отличается от земных вулканов: солнечные лучи, падая на поверхность, нагревают тонкий слой субстрата, где при температуре около 38 K азот переходит в газовую фазу. Давление пара наращивается до такой степени, что ледяная корка растрескивается и газ выбрасывается наружу вместе с мелкими частицами льда.
Азотные гейзеры оказывают существенное влияние на климат и эволюцию ландшафта Тритона. Выбросы газа и твёрдых частиц создают тонкую атмосферу, плотность которой меняется в зависимости от сезона — когда Южное полушарие Тритона проходит через летнее солнцестояние, гейзеры проявляют наибольшую активность. Наличие ледяных конусов и барханов говорит о том, что материал на Тритоне может перемещаться под действием ветра, подобно песчаным дюнам на Земле и Марсе.
В итоге
Изучение планет-гигантов открывает для людей миры с экзотическими состояниями вещества и физическими процессами, которые невозможны в земных условиях. От океанов металлического водорода на Юпитере и Сатурне до гипотетических алмазных дождей на Уране и Нептуне — изучение этих чудес Солнечной системы способно дать учёным бесценную информацию для понимания тысяч экзопланет, открываемых у других звёзд.