Ледяной гигант — это гигантская планета, состоящая в основном из элементов тяжелее водорода и гелия , таких как кислород , углерод , азот и сера . В Солнечной системе есть два ледяных гиганта : Уран и Нептун .
В астрофизике и планетологии термин «лед» относится к летучим химическим соединениям с температурой замерзания выше 100 К , таким как вода , аммиак или метан , с температурами замерзания 273 К (0°С), 195 К (-78°С). C) и 91 К (-182°C) соответственно (см. Летучие вещества ). В 1990-х годах было установлено, что Уран и Нептун представляют собой отдельный класс планет-гигантов, отдельный от других планет-гигантов, Юпитера и Сатурна , которые являются газовыми гигантами , состоящими преимущественно из водорода и гелия. [1]
Таким образом, Нептун и Уран теперь называются ледяными гигантами . Не имея четко выраженных твердых поверхностей, они состоят в основном из газов и жидкостей. Составляющие их соединения были твердыми веществами, когда они изначально были включены в состав планет во время их формирования, либо непосредственно в виде льда, либо в ловушке водяного льда. Сегодня очень мало воды на Уране и Нептуне осталось в виде льда. Вместо этого вода в основном существует как сверхкритическая жидкость при таких температурах и давлениях внутри нее. [2] Уран и Нептун состоят лишь на 20% из водорода и гелия по массе, по сравнению с газовыми гигантами Солнечной системы , Юпитером и Сатурном, которые состоят более чем на 90% из водорода и гелия по массе.
В 1952 году писатель-фантаст Джеймс Блиш ввёл термин «газовый гигант» [3] , который использовался для обозначения крупных внеземных планет Солнечной системы . Однако с конца 1940-х годов [4] стало понятно, что составы Урана и Нептуна существенно отличаются от составов Юпитера и Сатурна . В основном они состоят из элементов тяжелее водорода и гелия , образуя вообще отдельный тип планет-гигантов . Поскольку во время своего формирования Уран и Нептун содержали свой материал в виде льда или газа, заключенного в водный лед, вошел в употребление термин « ледяной гигант» . [2] [4] В начале 1970-х годов эта терминология стала популярной в научно-фантастическом сообществе, например, Bova (1971), [5] но самое раннее научное использование терминологии, вероятно, было сделано Dunne & Burgess (1978) [6] ] в отчете НАСА. [7]
Моделирование формирования земных и газовых гигантов относительно простое и бесспорное . Считается, что планеты земной группы Солнечной системы образовались в результате столкновительного накопления планетезималей внутри протопланетного диска . Считается , что газовые гиганты — Юпитер , Сатурн и их внесолнечные планеты-двойники — сформировали твердые ядра массой около 10 земных масс ( ME ) посредством того же процесса, одновременно аккрецируя газовые оболочки из окружающей солнечной туманности в течение нескольких секунд. до нескольких миллионов лет ( Ма ), [8] [9] , хотя недавно были предложены альтернативные модели формирования ядра, основанные на аккреции гальки . [10] Некоторые внесолнечные планеты-гиганты могли образоваться в результате нестабильности гравитационного диска. [9] [11]
Формирование Урана и Нептуна посредством аналогичного процесса аккреции ядра гораздо более проблематично. Скорость убегания небольших протопланет, находящихся на расстоянии около 20 астрономических единиц (а.е.) от центра Солнечной системы, была бы сопоставима с их относительными скоростями . Такие тела, пересекающие орбиты Сатурна или Юпитера, могли бы быть отправлены по гиперболическим траекториям , выталкивающим их из системы. Такие тела, захваченные газовыми гигантами, также, скорее всего, просто срослись бы с более крупными планетами или были бы выброшены на кометные орбиты. [11]
Несмотря на трудности с моделированием их формирования, многие кандидаты в ледяные гиганты наблюдались на орбитах других звезд с 2004 года. Это указывает на то, что они могут быть обычным явлением в Млечном Пути . [2]
Учитывая орбитальные проблемы, с которыми могут столкнуться протопланеты, находящиеся на расстоянии 20 а.е. и более от центра Солнечной системы, простым решением является то, что ледяные гиганты образовались между орбитами Юпитера и Сатурна, а затем были гравитационно рассеяны наружу, на свои теперь более далекие орбиты. [11]
Гравитационная нестабильность протопланетного диска также могла привести к появлению нескольких газовых гигантских протопланет на расстояниях до 30 а.е. Области диска с немного более высокой плотностью могут привести к образованию сгустков, которые в конечном итоге схлопнутся до планетарной плотности. [11] Диск даже с незначительной гравитационной нестабильностью может породить протопланеты на расстоянии от 10 до 30 а.е. более чем за тысячу лет (тыс. лет). Это намного короче, чем 100 000–1 000 000 лет, необходимые для образования протопланет за счет аккреции ядра облака, и может сделать их жизнеспособными даже в самых короткоживущих дисках, которые существуют всего несколько миллионов лет. [11]
Проблема с этой моделью заключается в определении того, что поддерживало стабильность диска до нестабильности. Существует несколько возможных механизмов, позволяющих возникать гравитационной неустойчивости во время эволюции диска. Близкое столкновение с другой протозвездой может стать гравитационным толчком для стабильного в остальном диска. Диск, развивающийся магнитным путем, вероятно, будет иметь магнитные мертвые зоны из-за различной степени ионизации , где масса, перемещаемая магнитными силами, может накапливаться, в конечном итоге становясь незначительно гравитационно нестабильной. Протопланетный диск может просто медленно аккрецировать материю, вызывая относительно короткие периоды предельной гравитационной нестабильности и всплески сбора массы, за которыми следуют периоды, когда поверхностная плотность падает ниже уровня, необходимого для поддержания нестабильности. [11]
Наблюдения фотоиспарения протопланетных дисков в скоплении Трапеции Ориона под действием крайнего ультрафиолетового (EUV) излучения, испускаемого θ 1 Orionis C, позволяют предположить другой возможный механизм образования ледяных гигантов. Протопланеты-газовые гиганты с массой, кратной Юпитеру, могли быстро сформироваться из-за нестабильности диска, прежде чем большая часть их водородных оболочек была разрушена интенсивным EUV-излучением близлежащей массивной звезды. [11]
В туманности Киля потоки EUV примерно в 100 раз выше, чем в туманности Ориона Трапеции . Протопланетные диски присутствуют в обеих туманностях. Более высокие потоки EUV делают это еще более вероятным для формирования ледяных гигантов. Более сильное EUV увеличит удаление газовых оболочек с протопланет до того, как они смогут достаточно разрушиться, чтобы противостоять дальнейшей потере. [11]
Ледяные гиганты представляют собой одну из двух принципиально разных категорий планет-гигантов, присутствующих в Солнечной системе , другая группа — более знакомые газовые гиганты , которые состоят более чем на 90% из водорода и гелия (по массе). Считается, что их водород распространяется вплоть до их небольших скалистых ядер, где молекулярный ион водорода переходит в металлический водород под экстремальным давлением в сотни гигапаскалей (ГПа). [2]
Ледяные гиганты состоят в основном из более тяжелых элементов . Судя по обилию элементов во Вселенной , наиболее вероятными являются кислород , углерод , азот и сера . Хотя у ледяных гигантов тоже есть водородные оболочки , они гораздо меньше. Они составляют менее 20% их массы. Их водород также никогда не достигает глубины, необходимой для давления для создания металлического водорода. [2] Тем не менее, эти оболочки ограничивают наблюдение за внутренностями ледяных гигантов и, следовательно, информацию об их составе и эволюции. [2]
Хотя Уран и Нептун называют ледяными планетами-гигантами, считается, что под их облаками находится сверхкритический водно-аммиачный океан, на долю которого приходится около двух третей их общей массы. [12] [13]
Газовые внешние слои ледяных гигантов во многом схожи с газовыми гигантами. К ним относятся долгоживущие, высокоскоростные экваториальные ветры, полярные вихри , крупномасштабные модели циркуляции и сложные химические процессы , вызываемые ультрафиолетовым излучением сверху и смешивающимся с нижними слоями атмосферы. [2]
Изучение атмосферных закономерностей ледяных гигантов также дает понимание физики атмосферы . Их состав способствует различным химическим процессам , и они получают гораздо меньше солнечного света на своих далеких орбитах, чем любые другие планеты Солнечной системы (что увеличивает влияние внутреннего нагрева на погодные условия). [2]
Самая крупная видимая особенность Нептуна — повторяющееся Большое Темное Пятно . Оно формируется и исчезает каждые несколько лет, в отличие от Большого Красного Пятна Юпитера такого же размера , которое существовало на протяжении веков. Из всех известных планет-гигантов Солнечной системы Нептун излучает больше всего внутреннего тепла на единицу поглощенного солнечного света, соотношение примерно 2,6. Сатурн , следующий по величине излучатель, имеет коэффициент около 1,8. Уран излучает меньше всего тепла, в одну десятую меньше, чем Нептун. Предполагается, что это может быть связано с его крайним осевым наклоном на 98° . Это приводит к тому, что ее сезонные закономерности сильно отличаются от таковых на любой другой планете Солнечной системы. [2]
Полных моделей , объясняющих атмосферные особенности, наблюдаемые у ледяных гигантов, до сих пор нет . [2] Понимание этих особенностей поможет выяснить, как в целом функционируют атмосферы планет-гигантов. [2] Следовательно, такие идеи могут помочь ученым лучше предсказать структуру и поведение атмосферы гигантских экзопланет , которые, как обнаружено, находятся очень близко к своим звездам-хозяевам ( пегасовым планетам ), а также экзопланет с массами и радиусами между массами и радиусами планет-гигантов и планет земной группы, обнаруженных в Солнечная система. [2]
Из-за их больших размеров и низкой теплопроводности внутреннее давление планет достигает нескольких сотен ГПа, а температура — нескольких тысяч кельвинов (К). [14]
В марте 2012 года было обнаружено, что сжимаемость воды, используемая в моделях ледяных гигантов, может быть снижена на одну треть. [15] Это значение важно для моделирования ледяных гигантов и оказывает влияние на их понимание. [15]
Магнитные поля Урана и Нептуна необычно смещены и наклонены. [16] Их напряженность поля занимает промежуточное положение между полями газовых гигантов и планет земной группы, будучи в 50 и 25 раз выше, чем у Земли, соответственно. Напряженность экваториального магнитного поля Урана и Нептуна составляет соответственно 75 процентов и 45 процентов от 0,305 Гс Земли. [16] Считается, что их магнитные поля возникают в ионизированной конвекционной мантии из жидкого льда. [16]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
