Вчені побудували комп’ютерну модель юпітеріанських надр, яка, нарешті, досить добре зійшлася зі спостережуваними даними. Ядро Юпітера невелике, але оболонка з металевого водню виявилася збагаченою важкими елементами, концентрація яких плавно наростає до центру планети.
У зовнішній частині Сонячної системи знаходяться планети, які разюче відрізняються від нашої Землі. Звичної твердої поверхні у газових гігантів немає, а замість неї під хмарами ховається величезна товща газів і «льодів», що відчуває на собі надвисокі тиску і температури.
Згідно з класичною теорією, газові гіганти, до яких в нашій системі відносяться Юпітер і Сатурн, складаються з трьох шарів: масивної воднево-гелієвої оболонки, «мантії» з металевого водню і порівняно невеликого ядра з екзотичних форм скель і льодів (Уран і Нептун тепер виділяють в окремий клас – крижані гіганти).
До недавнього часу перевірити це було неможливо. Найпростіший спосіб дізнатися будову надр інших планет – провести точне вимірювання гравітаційного поля планети з близької орбіти і на його основі побудувати модель розподілу матерії всередині неї.
У XXI столітті гравітаційне поле гігантів, нарешті, досліджували за допомогою високоточного відстеження траєкторії орбітальних апаратів – “Юнони «у Юпітера і» Кассіні” у Сатурна. Попередній аналіз, що вийшов в 2017 році, показав, що ранні уявлення про надра Юпітера значно розходяться зі спостережуваними даними.
Виявилося, його ядро “розчинене” в металевому водні: концентрація “металів”, до яких астрономи відносять всі елементи важче гелію, при видаленні від центру спадає поступово і залишається значною приблизно до половини радіуса планети.
У новій роботі міжнародна група, очолювана вченими з Нідерландського інституту космічних досліджень (SRON), провела повторне комп’ютерне моделювання надр Юпітера (препринт оригінальної статті можна знайти тут). Цього разу вони прагнули знайти самоузгоджену модель, яка зможе досягти більш точного збігу як з результатами гравітаційних досліджень, так і з іншими спостережними даними.
З’ясувалося, що надра Юпітера розігріті трохи сильніше, ніж передбачалося раніше. При цьому повного їх перемішування не відбувається, незважаючи на “рідкий” стан речовини. Тому температура хмарного шару нижче очікуваної, а важкі елементи всередині планети розподілені неоднорідно.
Нові моделі повністю виключають і чіткий перехід між ядром і мантією, і його протилежність — рівномірно розмішані важкі елементи. Їх концентрація поступово наростає при русі вглиб, що підтверджує гіпотезу «розчиненого ядра».
Якщо припустити, згідно з попередніми дослідженнями, що загальна маса важких елементів у складі Юпітера становить 24-28 земних (сам Юпітер в 318 разів масивніше Землі), картина виходить наступна.
Маса внутрішнього ядра Юпітера, що складається тільки з важких елементів, не перевершує семи, а, швидше за все, чотирьох земних мас. Ще дві – в основному водяна пара, метан, аміак і сірководень — знаходяться у верхніх оболонках планети, а решта, 15-25 земних мас, розподілено по нижній мантії з металевого водню. Там, крім “льодів”, “розчинені» скелі” — те, що в звичайних умовах є силікатами і залізними сплавами.
Нова модель, на відміну від попередніх, узгоджується і зі спостережуваним вмістом важких елементів у верхній атмосфері Юпітера. Крім того, вона підтвердила, що зональні пояси вітрів, що спостерігаються в телескоп як смуги на диску Юпітера, простягаються далеко вглиб планети. Вони простежуються до глибини трьох тисяч кілометрів, де тиск становить 100 тисяч атмосфер.
Модель дозволяє прояснити й механізм потрапляння важких елементів на Юпітер при його формуванні. Найбільше вона узгоджується з бомбардуванням планетезималями кілометрових розмірів, а не безперервним потоком дрібного «щебеню».
Відзначимо, що, крім вимірювання гравітаційного поля, є інший метод дослідження надр, який для газових і крижаних гігантів годиться, так само як для скелястих планет і зірок, — це сейсмологія. Вона дає куди більш точні результати, ніж гравітаційний.
Тільки в разі тіл, які не мають твердої поверхні, вимірювати треба не струси, а безперервні коливання газових оболонок небесного тіла. Будемо сподіватися, що коли-небудь в атмосфері Юпітера та інших гігантів з’являться довгоживучі зонди, які безпосередньо вимірюють їх дихання і пульс.