Ученые обнаружили, что внутренности Юпитера полны останков маленьких планет, которые газовый гигант поглотил, когда расширился, превратившись в чудовище, которое мы видим сегодня. Выводы сделаны из первого четкого представления о химическом составе облачной внешней атмосферы планеты. Несмотря на то, что Юпитер является самой большой планетой в Солнечной системе, он очень мало рассказывает о своей внутренней работе. Телескопы сделали тысячи снимков закручивающихся вихревых облаков в верхних слоях атмосферы газового гиганта, но эти штормы в стиле Ван Гога также действуют как барьер, блокирующий наш взгляд на то, что находится внизу.
«Юпитер был одной из первых планет, сформировавшихся в нашей Солнечной системе», — в первые несколько миллионов лет после того, как Солнечная система сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад, рассказала ведущий исследователь Ямила Мигель, астрофизик из Лейденского университета в Нидерландах. Наука. Однако мы почти ничего не знаем наверняка о том, как он образовался, добавила она. В новом исследовании исследователи, наконец, смогли заглянуть за облачный покров Юпитера, используя гравитационные данные, собранные космическим зондом НАСА «Юнона». Эти данные позволили команде составить карту каменистого материала в ядре гигантской планеты, который выявил удивительно высокое содержание тяжелых элементов. Химический состав предполагает, что Юпитер пожирал детские планеты, или планетезимали, чтобы подпитывать свой экспансивный рост.
Сегодня Юпитер может быть в основном шаром вращающегося газа, но он начал свою жизнь с аккреции каменистого материала — как и любая другая планета в Солнечной системе. По мере того как гравитация планеты притягивала все больше и больше камней, каменное ядро становилось настолько плотным, что оно начало притягивать большие количества газа с дальних расстояний — в основном водород и гелий, оставшиеся после рождения Солнца, — чтобы сформировать свою огромную газонаполненную атмосферу. Есть две конкурирующие теории о том, как Юпитеру удалось собрать свой первоначальный каменистый материал. Одна из теорий состоит в том, что Юпитер накопил миллиарды более мелких космических камней, которые астрономы называют галькой (хотя эти камни, вероятно, ближе по размеру к валунам, чем к настоящей гальке).
Противоположная теория, которая подтверждается результатами нового исследования, состоит в том, что ядро Юпитера было сформировано в результате поглощения множества планетезималей — больших космических камней, простирающихся на несколько миль, которые, если их не трогать, могли бы стать семенами, из которых могли образоваться более мелкие твердые планеты. как Земля или Марс могли развиваться. Однако до сих пор не удалось однозначно сказать, какая из этих теорий верна. «Поскольку мы не можем напрямую наблюдать, как формировался Юпитер, мы должны собрать воедино информацию, которая у нас есть сегодня», — сказал Мигель. - А это непростая задача.
Чтобы попытаться разрешить этот спор, исследователям нужно было составить картину внутренностей Юпитера. «Здесь, на Земле, мы используем сейсмографы для изучения внутренней части планеты с помощью землетрясений», — сказал Мигель. Но у Юпитера нет поверхности для установки таких устройств, и в любом случае ядро Юпитера вряд ли будет иметь большую тектоническую активность, добавила она. Вместо этого исследователи построили компьютерные модели внутренностей Юпитера, объединив данные, которые были преимущественно собраны Юноной, а также некоторые данные его предшественника Галилео. Зонды измерили гравитационное поле планеты в разных точках ее орбиты.
Данные показали, что скальный материал, аккрецированный Юпитером, имеет высокую концентрацию тяжелых элементов, которые образуют плотные твердые тела и, следовательно, оказывают более сильное гравитационное воздействие, чем газовая атмосфера. Эти данные позволили команде наметить небольшие изменения гравитации планеты, что помогло им увидеть, где находится каменистый материал внутри планеты. «Юнона предоставила очень точные гравитационные данные, которые помогли нам ограничить распределение материала внутри Юпитера», — сказал Мигель. «Это очень уникальные данные, которые мы можем получить только с помощью космического корабля, вращающегося вокруг планеты». Модели исследователя показали, что в пределах Юпитера находится эквивалент от 11 до 30 земных масс тяжелых элементов (от 3% до 9% массы Юпитера), что намного больше, чем ожидалось.
Новые модели указывают на планетозимальное происхождение Юпитера, потому что теория аккреции гальки не может объяснить такую высокую концентрацию тяжелых элементов, сказал Мигель. Если бы Юпитер первоначально сформировался из гальки, возможное начало процесса аккреции газа, как только планета стала бы достаточно большой, немедленно завершила бы стадию аккреции скал. Это связано с тем, что растущий слой газа создал бы барьер давления, который не позволял дополнительным галькам втягиваться внутрь планеты, объяснил Мигель. Эта укороченная фаза каменистой аккреции, вероятно, привела бы к тому, что содержание тяжелых металлов на Юпитере или металличность значительно уменьшилось по сравнению с тем, что рассчитали исследователи. Однако планетезимали могли попасть в ядро Юпитера даже после того, как началась фаза газовой аккреции; это потому, что гравитационное притяжение на камни было бы больше, чем давление, оказываемое газом. Исследователи заявили, что одновременная аккреция каменистого материала и газа, предложенная теорией планетезималей, является единственным объяснением высокого уровня содержания тяжелых элементов на Юпитере.
Исследование также выявило еще одно интересное открытие: внутренности Юпитера плохо смешиваются с его верхними слоями атмосферы, что идет вразрез с тем, что ученые ожидали ранее. Новая модель внутренностей Юпитера показывает, что тяжелые элементы, которые поглотила планета, остались в значительной степени вблизи ее ядра и нижних слоев атмосферы. Исследователи предполагали, что конвекция смешала атмосферу Юпитера, так что более горячий газ около ядра планеты поднялся во внешнюю атмосферу, прежде чем охладиться и снова упасть вниз; если бы это было так, то тяжелые элементы были бы более равномерно перемешаны в атмосфере. Однако вполне возможно, что некоторые области Юпитера могут иметь небольшой эффект конвекции, и необходимы дополнительные исследования, чтобы точно определить, что происходит внутри атмосферы газового гиганта, сказал Мигель.
Выводы исследователей могут также изменить историю происхождения других планет Солнечной системы. «Юпитер был самой влиятельной планетой в формировании Солнечной системы», — сказал Мигель. Она добавила, что его гравитационное притяжение помогло сформировать размер и орбиты его космических соседей, и поэтому определение того, как он появился, имеет важные побочные эффекты для других планет. Полученные данные также предполагают потенциальное планетезимальное происхождение других газовых гигантов Солнечной системы: Сатурна, Урана и Нептуна. Другие газообразные миры в других звездных системах также могли образоваться путем поглощения планетезималей, а не гальки, что означает, что они также могут иметь более высокую металличность, чем можно было бы предположить по их внешнему виду. Поэтому важно, чтобы, когда мы находим эти новые миры, которые ищут с помощью телескопа Джеймса Уэбба НАСА, мы не судили о них по их облачным покровам, говорят исследователи. Исследование было опубликовано онлайн 8 июня в журнале Astronomy and Astrophysics.
