№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Тёмное прошлое Юпитера: в юности эта планета была каннибалом

Фото: ESO / L. Calçada

Художественное изображение протопланеты, формирующейся внутри аккреционного диска протозвезды

Газовый гигант «съел» много планетезималей.

Юпитер почти полностью состоит из водорода и гелия. Но содержит он и более тяжелые элементы, которые астрономы называют металлами. Несмотря на то, что металлов в Юпитере не так уж много, они многое говорят астрономам.

Согласно новому исследованию, содержание и распределение металлов на Юпитере означает, что в молодости планета поглотила много каменистых планетезималей.

С тех пор, как космический корабль «Юнона» достиг Юпитера в июле 2016 года и начал собирать подробные данные, он заставил ученых пересмотреть все свои гипотезы насчет формирования и эволюции этой планеты.

Одной из особенностей миссии является инструмент Gravity Science. Этот прибор предназначен для наблюдения за гравитацией Юпитера. Он отображает гравитационное поле газового гиганта, что позволяет лучше понять внутреннюю часть планеты.

Gravity Science использует специальное оборудование на «Юноне», а также на Земле, включая системы связи K-диапазона и X-диапазона с высоким коэффициентом усиления сети Deep Space Network. Эти компоненты работают вместе, чтобы обнаруживать мельчайшие изменения в радиочастоте (доплеровский сдвиг) для измерения скорости космического корабля во времени. С помощью этого инструмента ученые и выяснили новые подробности о прошлом Юпитера. 

Фото: Wikimedia Commons
Схематическое изображение внутреннего состава Юпитера

Когда Юпитер формировался, он начал с аккреции каменистого материала. Затем последовал период быстрой аккреции газа из солнечной туманности, и спустя многие миллионы лет Юпитер превратился в гиганта, которым является сегодня.

Но есть важный вопрос относительно первых этапов жизни Юпитера. Срастались ли благодаря аккреции сразу большие каменистые массы, подобные планетезималям (планетезималями называют зародыши протопланет, из которых много позже формируются планеты)? Или газовый гигант нарастил материал на свою основу с помощью мелкой космической гальки? Новое исследование было призвано ответить на этот вопрос.

«Мы привыкли к великолепным изображениям Юпитера благодаря камере JunoCam космического корабля «Юнона». Но то, что мы видим, – лишь верхушка айсберга. Все эти завораживающие изображения облаков и штормов – это всего лишь тонкий 50-километровый внешний слой атмосферы планеты. Ключ к формированию и эволюции Юпитера похоронен в атмосфере планеты, глубина которой составляет десятки тысяч километров», – пишут исследователи.

Общепризнанно, что Юпитер – старейшая планета Солнечной системы. Но ученые хотят знать, сколько времени ушло на его формирование. Авторы новой работы изучили данные Gravity Science, чтобы понять, сколько металлов содержит планета. Исследователи обнаружили, что атмосфера Юпитера не так однородна, как считалось ранее. Вблизи центра планеты находится больше металлов, чем в других слоях. В целом металлы составляют от 11 до 30 масс Земли. Исходя из полученных данных, команда построила модели внутренней динамики Юпитера.

«В этой статье мы собираем самую полную и разнообразную на сегодняшний день коллекцию моделей Юпитера и используем ее для изучения распределения тяжелых элементов в оболочке планеты», – авторы исследования.

Исследователи создали два контрастных типа моделей Юпитера. Первый набор – это трехслойные модели, а второй – модели с «разбавленным» ядром. 

«У газового гиганта, подобного Юпитеру, есть два механизма приобретения металлов во время его формирования: путем аккреции мелких камешков или более крупных планетезималей», – пишут ученые.

Фото: Yamila Miguel
Два контрастных типа моделей Юпитера

В результате ученые пришли к выводу, что наиболее вероятным будет второй сценарий: образование Юпитера путем поглощения планетезималей – крохотных протопланетных зародышей, которые имеют шанс вырасти в самостоятельную планету. Обилие металлов в недрах Юпитера уменьшается по мере удаления от центра. Это означает отсутствие конвекции в глубинной атмосфере планеты.  

«Мы убедительно демонстрируем, что содержание тяжелых элементов в оболочке Юпитера неоднородно. Наши результаты показывают, что Юпитер продолжал аккрецировать тяжелые элементы в больших количествах, в то время как его водородно-гелиевая оболочка росла», – отмечают исследователи.

По словам исследователей, их результаты можно будет использовать при изучении других газообразных планет, в том числе экзопланет.  

Узнайте, как планеты солнечной системы получили свои имена.