«Астрономия. Популярные лекции»

Книга Владимира Сурдина «Астрономия. Популярные лекции» (издательство МЦНМО) — сборник развернутых и отредактированных лекций, прочитанных в рамках межфакультетского курса МГУ «Основы астрономии». Оргкомитет премии «Просветитель» включил ее в «длинный список» из 25 книг, среди которых будут выбраны финалисты и лауреаты премии. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с небольшим отрывком главы, посвященной планетам-гигантам.

Гигантские планеты — какие они?

Наша Солнечная система, если иметь в виду ее вещество, состоит из Солнца и четырех планет-гигантов, а еще проще — из Солнца и Юпитера, поскольку масса Юпитера больше, чем всех прочих околосолнечных объектов — планет, комет, астероидов — вместе взятых. Фактически мы живем в двойной системе Солнце — Юпитер, а вся остальная «мелочь» подчиняется их гравитации.

Сатурн вчетверо меньше Юпитера по массе, но по составу похож на него: он тоже в основном состоит из легких элементов — водорода и гелия в отношении 9 : 1 по количеству атомов. Уран и Нептун еще менее массивны и по составу богаче более тяжелыми элементами — углеродом, кислородом, азотом. Поэтому группу из четырех гигантов обычно делят пополам, на две подгруппы: Юпитер и Сатурн называют газовыми гигантами, а Уран и Нептун — ледяными гигантами. Дело в том, что Уран и Нептун обладают не очень толстой атмосферой, а большая часть их объема — это ледяная мантия, т. е. довольно твердое вещество, а у Юпитера и Сатурна почти весь объем занят газообразной и жидкой «атмосферой». При этом все гиганты имеют железно-каменные ядра, превышающие по массе нашу Землю.

На первый взгляд, планеты-гиганты примитивны, а маленькие планеты земного типа намного интереснее. Но, может быть, это просто потому, что мы пока плохо знаем природу этих четырех гигантов. Например, к двум ледяным гигантам — Урану и Нептуну — за всю историю астрономии приближался лишь зонд «Вояджер-2» (NASA), да и то пролетел, не останавливаясь, мимо них: в 1986 г. — мимо Урана и в 1989 г. — мимо Нептуна. Много ли он мог увидеть и измерить? Можно сказать, что к исследованию ледяных гигантов мы еще по-настоящему не приступали.

Газовые гиганты изучены намного детальнее, поскольку кроме пролетных аппаратов («Пионер-10 и 11», «Вояджер-1 и 2», «Улисс», «Кассини», «Новые горизонты», NASA и ESA) рядом с ними длительно работали искусственные спутники: «Галилео» (NASA, 1995–2003) и «Джуно» (NASA, с 2016 г.) исследовали Юпитер, а «Кассини» (NASA и ESA, 2004–2017) изучал Сатурн.

Наиболее глубоко был исследован Юпитер, причем в прямом смысле: в его атмосферу с борта «Галилео» был сброшен зонд, который влетел туда со скоростью 48 км/с, раскрыл парашют и за 1 час опустился на 156 км ниже верхней кромки облаков, где при внешнем давлении 23 атм и температуре 153 °С прекратил передавать данные — по-видимому, из-за перегрева. На траектории спуска он измерил многие параметры атмосферы, включая даже ее изотопный состав. Это заметно обогатило не только планетологию, но и космологию. Ведь гигантские планеты не отпускают от себя вещество, они навечно сохраняют то, из чего родились; особенно это касается Юпитера. У его облачной поверхности вторая космическая скорость составляет 60 км/с: ясно, что ни одной молекуле оттуда никогда не уйти. Поэтому мы думаем, что изотопный состав Юпитера, особенно состав водорода, характерен для самых первых этапов жизни Солнечной системы, а может быть, и Вселенной. И это очень важно: соотношение тяжелого и легкого изотопов водорода показывает, как в первые минуты эволюции нашей Вселенной протекал синтез химических элементов, какие физические условия тогда были.

Юпитер быстро вращается — c периодом около 10 часов, а поскольку средняя плотность планеты невелика (1,3 г/см³), центробежная сила заметно деформировала ее тело. Невооруженным глазом видно, что планета сжата вдоль полярной оси. Степень сжатия Юпитера, т. е. относительная разница между его экваториальным и полярным радиусами, составляет (R_экв− R_пол)/R_экв = 0,065. Именно средняя плотность планеты (ρ ∝ M/R³) и суточный период вращения (T) определяют форму ее тела. Как известно, планета — это космическое тело в состоянии гид ростатического равновесия. На полюсе действует только сила тяготения (GM/R²), а на экваторе ей противодействует центробежная сила (V²/R = 4π²R²/RT²). Их отношением и определяется форма планеты, поскольку давление в центре планеты не должно зависеть от направления: экваториальная колонка вещества весит столько же, сколько полярная. Отношение этих сил:

Итак, чем меньше плотность и продолжительность суток, тем сильнее сжата планета. Проверим: средняя плотность Сатурна составляет 0,7 г/см³, период его вращения — 11 час, почти такой же, как у Юпитера, а сжатие — 0,098. Сатурн сжат в полтора раза сильнее Юпитера, и это легко заметить при наблюдении планет в телескоп: сжатие Сатурна бросается в глаза.

Быстрое вращение планет-гигантов определяет не только форму их тела, а значит, и форму их наблюдаемого диска, но и его внешний вид: облачная поверхность планет-гигантов имеет зональную структуру с полосами разного цвета, вытянутыми вдоль экватора. Потоки газа движутся быстро, со скоростями во многие сотни километров в час; их взаимное смещение вызывает сдвиговую неустойчивость и совместно с силой Кориолиса порождает гигантские вихри. Издалека заметны Большое Красное Пятно на Юпитере, Большой Белый Овал на Сатурне, Большое Темное Пятно на Нептуне. Особенно знаменит антициклон Большое Красное Пятно (БКП) на Юпитере. Когда-то БКП было вдвое больше нынешнего, его видели еще современники Галилея в свои слабенькие телескопы. Сегодня БКП побледнело, но все-таки этот вихрь уже почти 400 лет живет в атмосфере Юпитера, поскольку содержит гигантскую массу газа. Его размер больше земного шара. Такая масса газа, единожды закрутившись, не скоро остановится. На нашей планете циклоны живут примерно неделю, а там — столетия.

В любом движении рассеивается энергия, а значит, требуется ее источник. Каждая планета обладает двумя группами источников энергии — внутренними и внешними. Извне на планету льется поток солнечного излучения и падают метеороиды, изнутри ее греют распад радиоактивных элементов и гравитационное сжатие самой планеты (механизм Кельвина—Гельмгольца). Среди внешних источников энергии Солнце вне конкуренции. Хотя мы уже видели, как на Юпитер падают крупные объекты, вызывающие мощные взрывы (комета Шумейкеров—Леви 9), оценки частоты их падения показывают, что средний поток приносимой ими энергии существенно меньше, чем приносит солнечный свет. С другой стороны, роль внут ренних источников энергии неоднозначна.

У планет земной группы, состоящих из тяжелых тугоплавких элементов, единственным внутренним источником тепла служит радиоактивный распад, но вклад его ничтожен по сравнению с теплом от Солнца. У планет-гигантов доля тяжелых элементов существенно ниже, зато они массивнее и легче сжимаются, что делает выделение гравитационной энергии их главным источником тепла. А поскольку гиганты удалены от Солнца, внутренний источник становится конкурентом внешнему: порой сама планета греет себя сильнее, чем ее нагревает Солнце. Даже Юпитер, ближайший к Солнцу гигант, излучает (в инфракрасной области спектра) на 60 % больше энергии, чем получает от Солнца. А энергия, которую излучает в космос Сатурн, в 2,5 раза больше той, которую планета получает от Солнца.

Гравитационная энергия выделяется как при сжатии планеты в целом, так и при дифференциации ее недр, т. е. при опускании к центру более плотного вещества и вытеснении оттуда более «плавучего». Вероятно, работают оба эффекта. Например, Юпитер в нашу эпоху уменьшается приблизительно на 2 см в год. А сразу после формирования он имел вдвое больший размер, сжимался быстрее и был значительно теплее. В своих окрестностях тогда он играл роль маленького солнца, на что указывают свойства его галилеевых спутников: чем ближе спутник к планете, тем он плотнее и тем меньше содержит летучих элементов. В целом такую же зависимость демонстрируют и сами планеты Солнечной системы по мере удаления от Солнца.

Кроме сжатия планеты как целого, важную роль в гравитационном источнике энергии играет дифференциация недр. Вещество разделяется на плотное и плавучее, в результате чего плотное вещество тонет, выделяя свою потенциальную гравитационную энергию в виде тепла. Вероятно, у планет-гигантов тепло выделяется в первую очередь в результате конденсации и последующего падения капель гелия сквозь всплывающие слои водорода, а также при фазовых переходах самого водорода. Но могут быть явления и поинтереснее: например, кристаллизация углерода — дождь из алмазов (!), правда, выделяющий не очень много энергии, поскольку углерода мало.

Что там внутри?

Внутреннее строение планет-гигантов пока изучается только теоретически. На прямое проникновение в их недра у нас мало шансов, а методы сейсмологии, т. е. акустического зондирования, к ним пока не применялись. Возможно, когда-нибудь мы научимся просвечивать их с помощью нейтрино, но до этого еще далеко. К счастью, в лабораторных условиях уже неплохо изучено поведение вещества при тех давлениях и температурах, которые царят в недрах планет-гигантов, что дает материал для математического моделирования их недр. На рис. 6.5 показано наше нынешнее представление о внутреннем строении планет-гигантов и, для сравнения, Земли. У Земли, как видите, температура в центре достигает 6000 K (разные модели дают от 5700 до 6300 K). Получается, что в центре Земли такая же температура, как на поверхности Солнца. Но в недрах гигантов она еще выше: температура в ядре Юпитера — от 20 до 35 тыс. K (по разным моделям), т. е. такая же, как на поверхности самых горячих звезд спектрального класса О.

Для контроля адекватности моделей внутреннего строения планет есть методы. Два физических поля — магнитное и гравитационное, источники которых находятся в недрах, выходят в окружающее планету пространство, где их можно измерять приборами космических зондов. На структуру магнитного поля действует много искажающих факторов (околопланетная плазма, солнечный ветер), зато гравитационное поле зависит только от распределения плотности внутри планеты. Чем сильнее тело планеты отличается от сферически симметричного, тем сложнее ее гравитационное поле, тем больше в нем гармоник, отличающих его от простого ньютонова GM/R².

Прибором для измерения гравитационного поля далеких планет, как правило, служит сам космический зонд, точнее, его движение в поле планеты. Чем дальше зонд от планеты, тем слабее в его движении проявляются мелкие отличия поля планеты от сферически симметричного, поэтому необходимо запускать аппарат как можно ближе к планете. С этой целью с 2016 г. рядом с Юпитером работает новый зонд Juno (NASA). Он летает по полярной орбите, чего раньше не было. На полярной орбите высшие гармоники гравитационного поля проявляются заметнее, поскольку планета сжата, а зонд время от времени подходит очень близко к поверхности. Именно это дает возможность измерить высшие гармоники разложения гравитационного поля. Но по этой же причине зонд довольно скоро закончит свою работу: он пролетает через наиболее плотные области радиационных поясов Юпитера, и его аппаратура от этого сильно страдает.

Радиационные пояса Юпитера колоссальны. При большом давлении водород в недрах планеты металлизируется: его электроны обобщаются, теряют связь с ядрами, и жидкий водород становится проводником электричества. Огромная масса сверхпроводящей среды, быстрое вращение и мощная конвекция — эти три фактора способствуют генерации магнитного поля за счет динамо-эффекта. В колоссальном магнитном поле, захватывающем летящие от Солнца заряженные частицы, формируются чудовищные радиационные пояса. В их наиболее плотной части лежат орбиты внутренних галилеевых спутников. Поэтому на поверхности Европы человек не прожил бы и дня, а на Ио — и часа. Даже космическому роботу нелегко там находиться. Более удаленные от Юпитера Ганимед и Каллисто в этом смысле значительно безопаснее для исследования, поэтому именно туда Роскосмос собирается в будущем послать зонд. Правда, Европа с ее подледным океаном была бы намного интереснее.

Ледяные гиганты Уран и Нептун выглядят промежуточными между газовыми гигантами и планетами земного типа. По сравнению с Юпитером и Сатурном у них меньше размер, масса и центральное давление, но при этом их относительно высокая средняя плотность указывает на большую долю элементов группы CNO. Протяженная и массивная атмосфера Урана и Нептуна в основном водородно-гелиевая. Под ней — водная с примесью аммиака и метана мантия, которую принято называть ледяной. Но планетологи подразумевают под «льдами» сами химические элементы группы CNO и их соединения (H₂O, NH₃, CH₄ и т. п.), а не агрегатное состояние, так что мантия в большей степени может быть жидкой. А под ней лежит сравнительно небольшое железно-каменное ядро. Поскольку концентрация углерода в недрах Урана и Нептуна выше, чем у Сатурна и Юпитера, в основании их ледяной мантии может лежать слой жидкого углерода, в котором конденсируются кристаллы, т. е. алмазы, оседающие вниз.

Подчеркну, что внутреннее строение планет-гигантов активно обсуждается, и конкурирующих моделей пока довольно много. Каждое новое измерение с борта космического зонда и каждый новый результат лабораторного моделирования в установках высокого давления приводят к пересмотру этих моделей. Напомню, что прямое измерение параметров весьма неглубоких слоев атмосферы, да и то только у Юпитера, было выполнено лишь однажды зондом, сброшенным с «Галилео» (NASA). А всё остальное — косвенные измерения и теоретические модели.

Магнитные поля Урана и Нептуна слабее, чем у газовых гигантов, но сильнее, чем у Земли. Хотя у поверхности Урана и Нептуна индукция поля примерно такая же, как у поверхности Земли (доли гаусса), но объем, а значит, и магнитный момент намного больше. Геометрия магнитного поля ледяных гигантов очень сложна и далека от простой дипольной формы, характерной для Земли, Юпитера и Сатурна. Вероятная причина — в том, что магнитное поле Урана и Нептуна генерируется в относительно тонком электропроводящем слое мантии, где конвекционные потоки не обладают высокой степенью симметрии (поскольку толщина слоя много меньше его радиуса).

При внешнем сходстве Уран и Нептун нельзя назвать близнецами: у них разная средняя плотность (соответственно 1,27 и 1,64 г/см³) и разная интенсивность выделения тепла в недрах. Хотя Уран в полтора раза ближе к Солнцу, чем Нептун, и поэтому получает от него в 2,5 раза больше тепла, он холоднее Нептуна. Дело в том, что Нептун выделяет в своих недрах даже больше тепла, чем получает от Солнца, а Уран не выделяет почти ничего. Поток тепла из недр Урана вблизи его поверхности составляет всего 0,042 ± 0,047 Вт/м² — меньше, чем у Земли (0,075 Вт/м²). Уран — самая холодная планета в Солнечной системе, хотя и не самая далекая от Солнца. Связано ли это с его странным вращением «на боку»? Не исключено.

Подробнее читайте:
Сурдин В.Г. Астрономия. Популярные лекции. — Изд. 2-е, расширенное. — М.: Издательство МЦНМО, 2019. — 352 с.