Это открытие ставит точку в давних спорах о формировании газового гиганта.
Ученые обнаружили, что внутренности Юпитера полны остатков планет-младенцев, которые газовый гигант поглотил, расширяясь и превращаясь в чудовище, которое мы видим сегодня. Эти результаты получены в результате первого чёткого представления о химическом составе под облачной внешней атмосферой планеты.
Несмотря на то, что Юпитер является самой большой планетой в Солнечной системе, о его внутреннем устройстве известно очень мало. Телескопы сделали тысячи снимков вихревых облаков в верхних слоях атмосферы газового гиганта, но эти штормы в стиле Ван Гога также действуют как барьер, блокирующий наш обзор того, 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, однако мы почти ничего не знаем наверняка о том, как он сформировался. рассказала ведущий исследователь Ямила Мигель, астрофизик из Лейденского университета в Нидерландах.
В новом исследовании исследователи, наконец, смогли заглянуть за скрывающий Юпитер облачный покров, используя гравитационные данные, собранные космическим зондом NASA Juno. Эти данные позволили команде составить карту скалистого материала в ядре планеты-гиганта, которая выявила удивительно высокое содержание тяжелых элементов. Химический состав предполагает, что Юпитер пожирал планеты-младенцы, или планетезимали, чтобы подпитывать свой экспансивный рост.
Для справки: Планетезималь (от англ. planet — планета и англ. infinitesimal — бесконечно малая) — небесное тело на орбите какой-нибудь звезды, образующееся в результате постепенного приращения более мелких тел, состоящих из частиц пыли прото-планетарного диска. Непрерывно притягивая к себе новый материал и накапливая массу, планетезимали формируют более крупное тело. Отдельные его фрагменты, взаимно притягиваясь, начинают в последствие уплотняться. Примером такой планетезимали является астеройд Лютеция, у которого под толстым километровым слоем пыли находится плотное ядро.
Рост газового гиганта
Сегодня Юпитер может быть преимущественно газовым шаром, но он начал свою жизнь с накопления каменистого материала - как и все остальные планеты Солнечной системы. По мере того как гравитация планеты втягивала в себя все больше и больше камней, каменистое ядро стало настолько плотным, что начало втягивать в себя большое количество газа с далеких расстояний - преимущественно водорода и гелия, оставшихся после рождения Солнца, - чтобы сформировать свою огромную газонаполненную атмосферу.
Существуют две конкурирующие теории о том, как Юпитеру удалось собрать свой первоначальный каменистый материал. Согласно одной теории, Юпитер собрал миллиарды мелких космических камней, которые астрономы называют галькой (хотя по размеру эти камни, скорее всего, ближе к валунам, чем к гальке).
Противоположная теория, которая подтверждается результатами нового исследования, заключается в том, что ядро Юпитера образовалось в результате поглощения множества планетезималей - крупных космических камней размером в несколько миль, которые, если бы их не трогали, могли бы стать семенами, из которых могли бы развиться меньшие каменистые планеты, такие как Земля или Марс.
Однако до сих пор не было возможности окончательно утверждать, какая из этих теорий верна.
Поскольку мы не можем непосредственно наблюдать за тем, как формировался Юпитер, мы должны собрать всё воедино с помощью той информации, которая у нас есть сегодня, а это нелегкая задача. ведущий исследователь Ямила Мигель, астрофизик из Лейденского университета в Нидерландах
Исследование планеты
Чтобы попытаться разрешить спор, исследователям необходимо составить представление о внутреннем устройстве Юпитера.
Здесь, на Земле, мы используем сейсмографы для изучения внутренностей планеты с помощью землетрясений, но у Юпитера нет поверхности, на которую можно было бы установить такие приборы, а в ядре Юпитера вряд ли наблюдается большая тектоническая активность. Ямила Мигель (Yamila Miguel)
Вместо этого исследователи построили компьютерные модели внутренностей Юпитера, объединив данные, собранные в основном зондом "Юнона", а также некоторые данные его предшественника "Галилео". Зонды измеряли гравитационное поле планеты в разных точках её орбиты. Данные показали, что скалистый материал, аккрецированный Юпитером, имеет высокую концентрацию тяжёлых элементов, которые образуют плотные твёрдые тела и, следовательно, оказывают более сильное гравитационное воздействие, чем газообразная атмосфера. Эти данные позволили команде составить карту небольших изменений в гравитации планеты, что помогло им увидеть, где скалистый материал расположен внутри планеты.
Juno предоставил очень точные гравитационные данные, которые помогли нам определить распределение материала в недрах Юпитера. Это очень уникальные данные, которые мы можем получить только с помощью космического аппарата, вращающегося вокруг планеты. Ямила Мигель (Yamila Miguel)
Модели исследователей показали, что внутри Юпитера находится от 11 до 30 земных масс тяжёлых элементов (от 3% до 9% массы Юпитера), что гораздо больше, чем ожидалось.
Галька против планетезималей
Новые модели указывают на планетезимальное происхождение Юпитера, поскольку теория образования из гальки не может объяснить столь высокую концентрацию тяжёлых элементов. Если бы Юпитер изначально сформировался из гальки, то процесс аккреции газа, когда планета стала достаточно большой, сразу бы завершился стадией аккреции скальных пород. Это объясняется тем, что растущий слой газа создал бы барьер давления, который не позволил бы дополнительным камешкам втянуться внутрь планеты. Эта сокращённая стадия каменистой аккреции, вероятно, привела бы к тому, что Юпитер имел бы значительно меньшее обилие тяжёлых металлов, или металличность, чем рассчитали исследователи. добавила Ямила Мигель
Однако планетезимали могли приклеиться к ядру Юпитера даже после начала фазы газовой аккреции, потому что гравитационное притяжение камней было бы больше, чем давление газа. Эта одновременная аккреция каменистого материала и газа, предложенная теорией планетезималей, является единственным объяснением высокого содержания тяжёлых элементов внутри Юпитера, говорят исследователи.
Исследование также выявило еще одно интересное открытие: Внутренности Юпитера не очень хорошо смешиваются с его верхней атмосферой, что противоречит ожиданиям учёных. Новая модель внутренностей Юпитера показывает, что тяжёлые элементы, которые поглотила планета, остались в основном вблизи её ядра и в нижней атмосфере. Исследователи предполагали, что конвекция перемешивает атмосферу Юпитера, так что более горячий газ вблизи ядра планеты поднимается во внешнюю атмосферу, а затем охлаждается и опускается обратно; если бы это было так, тяжёлые элементы были бы более равномерно перемешаны по всей атмосфере.
Тем не менее, возможно, что в некоторых регионах Юпитера наблюдается небольшой конвективный эффект, и необходимы дополнительные исследования, чтобы точно определить, что происходит внутри атмосферы газового гиганта. сказала Ямила Мигель
Выводы исследователей также могут изменить историю происхождения других планет Солнечной системы. Юпитер был самой влиятельной планетой в процессе формирования Солнечной системы. Его гравитационное притяжение помогло сформировать размеры и орбиты его космических соседей, поэтому определение того, как он появился на свет, имеет важные последствия для других планет. Результаты исследования также указывают на потенциальное планетарное происхождение других газовых гигантов в Солнечной системе: Сатурна, Урана и Нептуна.
Другие газообразные миры в других звёздных системах также могли образоваться путём поглощения планетезималей, а не гальки, что означает, что их металличность может быть выше, чем можно предположить по их внешнему виду. Поэтому важно, чтобы при обнаружении этих новых миров, поиск которых ведется с помощью телескопа NASA "Джеймс Вебб", мы не судили о них по их облачному покрытию, говорят исследователи.
