Когда говорят о самых горячих местах в Солнечной системе, обычно вспоминают Венеру с её 460 градусами или раскалённую дневную сторону Меркурия. Но эти температуры меркнут по сравнению с тем, что происходит в глубинах планет-гигантов. Самое горячее место находится не на поверхности, а глубоко внутри Юпитера. Его ядро разогрето до 24 000 градусов — это в четыре раза горячее поверхности Солнца.
Как такое возможно? Почему недра газового гиганта нагреты сильнее, чем поверхность звезды? И как учёные узнали температуру того, что скрыто под тысячами километров водородно-гелиевой атмосферы?
1. Температурная шкала Солнечной системы
Для начала — сравнение температур в разных уголках нашей системы.
Поверхность Солнца (фотосфера) нагрета примерно до 5500 градусов. Для сравнения: температура ядра Юпитера — около 24 000 градусов, то есть в четыре с лишним раза горячее. Поверхность Венеры — 460 градусов, дневная поверхность Меркурия — 430 градусов.
Ядро Юпитера горячее поверхности Солнца, но гораздо холоднее ядра Солнца, которое разогрето до 15 миллионов градусов.
Температура ядра Юпитера выше температуры плавления вольфрама (3422 градуса) и даже выше температуры испарения углерода (около 4000 градусов). Материя там существует в виде плазмы.
2. Откуда берётся такое тепло
У Юпитера есть два источника тепла: внешний (Солнце) и внутренний.
Солнечный нагрев. Юпитер получает от Солнца в 27 раз меньше света и тепла, чем Земля, из-за большой удалённости. Поэтому его верхние слои атмосферы очень холодны — около минус 150 градусов.
Внутренний источник. Юпитер излучает в 1,7 раза больше энергии, чем получает от Солнца. То есть у него есть собственный внутренний источник тепла. Это остаточное тепло от формирования планеты, а также тепло, выделяющееся при гравитационном сжатии.
Когда Юпитер формировался около 4,6 миллиарда лет назад, огромное количество вещества падало на него, выделяя колоссальную энергию. Планета до сих пор не полностью остыла. Более того, Юпитер продолжает медленно сжиматься — на несколько сантиметров в год, и при сжатии гравитационная энергия переходит в тепло.
А знаете ли вы? Если бы Юпитер не излучал собственного тепла, его температура верхних облаков была бы около минус 220 градусов. Именно внутреннее тепло делает атмосферу Юпитера такой активной, с мощными ветрами и штормами.
Сатурн излучает ещё больше — в 2,5 раза больше, чем получает от Солнца. Но его ядро, вероятно, холоднее юпитерианского, потому что Сатурн менее массивен и его гравитационное сжатие слабее.
3. Давление — ключ к пониманию
Чтобы понять, почему ядро Юпитера такое горячее, нужно вспомнить о давлении. На поверхности Юпитера давление такое же, как на Земле, но с глубиной оно растёт колоссальными темпами.
На уровне, где давление достигает 1 миллиона атмосфер (это примерно на глубине 15 000 километров от верхних облаков), водород переходит в необычное состояние — металлический водород. При этом выделяется дополнительное тепло.
В центре Юпитера давление оценивается в 40-80 миллионов атмосфер. Для сравнения: давление в центре Земли — около 3,6 миллиона атмосфер, в центре Солнца — около 250 миллиардов атмосфер.
При таком давлении вещество сжимается и нагревается. Это сжатие и является основной причиной высокой температуры ядра.
При давлении в 40 миллионов атмосфер вещество становится настолько плотным, что водород приобретает свойства жидкого металла. Он проводит электричество и создаёт магнитное поле Юпитера, которое в 20 раз сильнее земного.
Если бы давление в ядре Юпитера было ещё выше, мог бы запуститься термоядерный синтез, и Юпитер стал бы звездой. Но для этого нужно увеличить массу Юпитера в 70-80 раз.
4. Из чего состоит ядро Юпитера
Долгое время считалось, что у Юпитера нет твёрдого ядра — что газовый гигант просто сжимается всё плотнее и плотнее к центру, без чёткой границы. Но миссия «Юнона», изучающая Юпитер с 2016 года, показала иное.
Измерения гравитационного поля Юпитера позволили «увидеть» распределение массы внутри планеты. Оказалось, что в центре есть плотное ядро: ео масса — от 5 до 15 масс Земли (по разным оценкам). Оно состоит из тяжёлых элементов — железа, никеля, силикатов, льда, а также, возможно, растворённого в них металлического водорода.
Ядро размытое — чёткой границы между ядром и мантией из металлического водорода нет. Это скорее переходная зона, где плотность постепенно уменьшается от центра к периферии.
Температура в центре ядра — около 24 000 градусов. Вещество там не твёрдое и не жидкое в привычном смысле — это плазма с огромной плотностью.
Существует гипотеза, что ядро Юпитера частично растворилось в металлическом водороде, поэтому оно кажется «размытым». Если это так, то изначально ядро было более компактным и массивным.
5. Как учёные узнали температуру ядра
Прямых измерений нет — никакой зонд не опускался в недра Юпитера. Даже если бы такой зонд существовал, он был бы раздавлен и расплавлен задолго до достижения ядра. Температуру рассчитывают с помощью математических моделей.
Исходные данные:
- Масса Юпитера — в 318 раз больше земной.
- Радиус Юпитера — в 11 раз больше земного.
- Скорость вращения — один оборот примерно за 9 часов 55 минут.
- Гравитационное поле — измерено зондом «Юнона».
- Излучаемая энергия — в 1,7 раза больше получаемой от Солнца.
На основе этих данных физики строят модели внутреннего строения Юпитера. Уравнения состояния вещества при сверхвысоких давлениях и температурах решаются суперкомпьютерах. Модель считается верной, если она предсказывает наблюдаемую массу, радиус, гравитационное поле и излучение.
Все такие модели сходятся в одном: температура в центре Юпитера должна быть около 20 000-25 000 градусов.
Для моделирования недр Юпитера используются квантово-механические расчёты поведения водорода при давлениях в миллионы атмосфер. Эти расчёты проверяются в лабораторных экспериментах с ударными волнами, где удаётся достичь давлений в миллионы атмосфер на микросекунды.
6. Что происходит с веществом в ядре Юпитера
При температуре 24 000 градусов и давлении в десятки миллионов атмосфер вещество существует в экзотических состояниях, не встречающихся на Земле.
- Водород становится металлическим и электропроводящим. Его плотность достигает плотности воды, но водород там тяжёлый. Он течёт как жидкость, создавая гигантские конвективные потоки, которые генерируют магнитное поле.
- Гелий при таких давлениях, возможно, не смешивается с металлическим водородом. Он образует капли, которые падают, выделяя дополнительное тепло.
- Тяжёлые элементы (железо, силикаты, лёд) расплавлены или находятся в сверхкритическом состоянии — ни твёрдом, ни жидком, нечто среднее.
- Молекулы не существуют — только атомы и ионы. Химические связи разрушены теплом и давлением.
Граница между ядром и мантией размыта. Тяжёлые элементы частично растворяются в металлическом водороде, создавая плотный «бульон», который медленно перемешивается.
Некоторые учёные предполагают, что ядро Юпитера не твёрдое даже в обычном смысле, а представляет собой гигантскую каплю сверхплотной жидкости, в которой плавают более тяжёлые фракции. Если бы человек мог опуститься в ядро Юпитера, он был бы сжат до объёма песчинки. Атомы его тела разрушились бы, электроны оторвались бы от ядер, и вся материя превратилась бы в плазму.
Итог
Самое горячее место в Солнечной системе, если не считать Солнце, находится не на поверхности Венеры и не в кратере на Меркурии. Оно скрыто под десятками тысяч километров водородно-гелиевой атмосферы, там, где давление достигает десятков миллионов атмосфер, а вещество превращается в металлическую плазму. Ядро Юпитера разогрето до 24 000 градусов — в четыре раза выше температуры поверхности Солнца. Это тепло — наследие формирования планеты, которое она сохранила за 4,6 миллиарда лет и будет излучать ещё долго.
Но это тепло не бесполезно. Оно подпитывает атмосферные течения, создаёт гигантские штормы (включая Большое красное пятно) и генерирует магнитное поле Юпитера, в 20 раз более мощное, чем земное. Без этого внутреннего жара Юпитер был бы мёртвой, однородной ледяной планетой, а не тем бурным, полосатым гигантом, который мы наблюдаем.
Подпишись, если понравилась статья!