Пухлость ядра Юпитера объяснили лобовым столкновением с зародышем планеты

Астрономы выдвинули гипотезу, объясняющую необычно большой размер и относительно невысокую плотность ядра Юпитера. Согласно новой идее, подобное может получиться в случае лобового столкновения крупного планетарного зародыша с прото-Юпитером в ранней Солнечной системе, пишут авторы в журнале Nature.

По современным представлениям планеты образуются из газопылевого диска. На раннем этапе формирования системы образуется множество твердых тел примерно километрового размера — планетезимали. Дальнейшее их объединение приводит к постепенному появлению все более крупных зародышей планет, некоторые из которых превращаются в протопланеты, а затем и в планеты.

Модели формирования планет показывают, что в центрах всех планет должны залегать большие количества относительно тяжелых элементов, несмотря на то, что снаружи эти тела могут быть окружены протяженными газовыми оболочками. Более того, такие ядра должны формироваться на самых ранних стадиях, а последующий рост происходит практически исключительно за счет газообразного вещества, в связи с чем во внешних областях металлов должно быть исключительно мало.

Одним из результатов работы автоматического зонда «Юнона», находящегося на орбите Юпитера, стало точное измерение гравитационного потенциала планеты-гиганта. Эта информация, в свою очередь, позволила оценить состав и структуру недр тела. В частности, оказалось, что концентрация тяжелых элементов неоднородна в расположенных над твердым ядром жидких слоях из водорода и гелия. При этом суммарная масса элементов тяжелее гелия примерно соответствует паре десятков земных масс (от 5 до 15 процентов массы Юпитера), а сами эти вещества встречаются вплоть до примерно половины радиуса.

Для объяснения этих особенностей, вступающих в противоречие с предсказаниями наиболее простых моделей, было предложено несколько гипотез. Во-первых, могло происходить постепенное разрушение ядра и проникновение его материала в вышележащие слои, однако эффективность такого процесса не ясна. Второй вариант предполагает, что водород и гелий присутствовали в ядре с самого начала, хотя в таких моделях обычно не получается воспроизвести разреженное ядро с нужными параметрами.

В работе Шан-Фэя Лю из Университета Сунь Ятсена (Китай) и его коллег из Японии, Швейцарии, Китая и США предложена новая гипотеза, которая предполагает произошедшее в прошлом лобовое столкновение с крупным зародышем планеты. Согласно проведенному компьютерному моделированию, падение тела с массой порядка десяти земных привело бы к слиянию ядер и существенному расширению области с заметной концентрацией тяжелых элементов.

Модели показали, что после удара в течение всего порядка 15 часов внутренняя часть прото-Юпитера существенно изменится. Последующее перемешивание приведет к «распуханию» ядра с изначальных примерно 15 процентов от радиуса до примерно половины, причем этот эффект будет долговременным. В случае косых соударений необходимого распределения элементов добиться не удалось.

«Модели подобного сценария приводят к внутренней структуре, которая совместима с разреженным ядром, сохраняющимся на протяжении миллиардов лет, — пишут авторы в статье. — Мы предполагаем, что столкновения были обычными в молодой Солнечной системе, и что подобное событие могло также произойти с Сатурном, что сказалось на структурных отличиях планет-гигантов».

Ранее ученые нашли указания на то, что зародыши планет замедлили рост Юпитера, также ученые нашли на планете водяное облако. А совсем недавно астроном-любитель снял падение астероида на газовый гигант.

Тимур Кешелава