Учёные: Уран и Нептун могли сформироваться по разным сценариям
Уран и Нептун, которые считают почти близнецами, могли пройти разные пути формирования. К такому выводу пришла международная группа учёных, сопоставив содержание угарного газа в верхних слоях атмосфер обеих планет с расчётами их глубинного химического состава и моделью эволюции протопланетного диска вокруг молодого Солнца. Результаты указывают, что строительный материал Нептуна мог сформироваться ближе к Солнцу, после чего планета переместилась на нынешнюю орбиту.
Напрямую определить состав глубинных слоёв ледяных гигантов сегодня невозможно. Обе планеты вблизи наблюдал только «Вояджер-2»: он пролетел мимо Урана в 1986 году, а мимо Нептуна в 1989-м. Инфракрасные наблюдения позволяют изучать лишь верхние слои атмосферы, а даже спускаемый аппарат будущей миссии Uranus Orbiter and Probe сможет добраться примерно до уровня давления 10 бар. Поэтому содержание ключевых элементов приходится восстанавливать косвенно.
Учёные опирались на угарный газ в верхней тропосфере обеих планет: его концентрация вместе с моделями химических реакций и переноса вещества позволяет оценить количество кислорода в глубине. Для Урана исходным измерением послужила концентрация около 5,6 миллиардной доли по объёму, полученная с помощью телескопа ALMA, а на Нептуне она составляет примерно 200 миллиардных долей — почти в 36 раз больше.
Расчёты показали, что содержание кислорода относительно водорода в глубинных слоях Урана составляет 62–177 солнечного уровня, а Нептуна — 222–342 солнечных уровня. Таким образом, согласно этой оценке Нептун заметно богаче кислородом. Результат существенно зависит от коэффициента вихревой диффузии, описывающего перенос вещества между слоями атмосферы: при учёте его изменения с широтой и глубиной диапазоны расширяются, тогда как неопределённость скоростей химических реакций влияет слабее — примерно на 10% для Урана и на 5% для Нептуна.
Затем учёные рассчитали отношение углерода к кислороду и сравнили его с моделью протопланетного диска, учитывающей перенос пыли, испарение, конденсацию и образование ледяных частиц. Для Урана отношение C/O составило 0,06–0,52, для Нептуна — 0,02–0,12 при солнечном значении около 0,5. Низкое отношение C/O у Нептуна согласуется со сценарием, при котором его строительные блоки сформировались вблизи линии водяного льда, а нынешнее положение планеты объясняется последующей миграцией наружу. Для Урана верхняя граница диапазона согласуется и с составом материала на его текущем орбитальном расстоянии.
Поэтому результаты не устанавливают единственную историю формирования обеих планет: диапазоны частично перекрываются, а расчёты зависят от модели атмосферного перемешивания и условий в древнем диске. Авторы подчёркивают, что ключевая неопределённость связана с эффективностью перемешивания вещества в глубине атмосфер, а вращение планет и конденсация льда могут подавлять конвекцию. Будущие измерения непосредственно в атмосфере Урана, особенно вблизи экватора, помогут проверить расчёты. Это важно и для интерпретации состава и происхождения экзопланет сопоставимого размера.