Уран и Нептун демонстрируют поразительное внешнее сходство, но их формирование могло существенно отличаться. Новые данные исследования выявили неожиданные расхождения: предполагается, что одна из планет изначально сформировалась значительно ближе к Солнцу, а затем переместилась на свою текущую орбиту.

Самые удаленные от нас планеты в Солнечной системе, имеющие диаметр примерно в четыре раза превышающий земной, классифицируются как ледяные гиганты. Несмотря на это название, они не являются огромными глыбами льда: под плотными газовыми оболочками, находящимися под колоссальным давлением, скрываются вода и другие соединения. Оба небесных тела обладают голубоватым оттенком из-за присутствия метана в атмосфере. Однако сведения о составе их глубоких слоев крайне ограничены: космический аппарат «Вояджер-2» совершил пролет мимо каждой из них лишь один раз, а облачный покров препятствует наблюдению за внутренним строением Урана и Нептуна с Земли.

Международный коллектив ученых во главе с Томом Брианом, работающим в Экс-Марсельском университете (Франция), поставил перед собой задачу определить концентрацию кислорода в глубоких слоях атмосферы этих гигантов. Прямые измерения затруднены: значительная часть кислорода находится в связанном состоянии, входя в состав воды, расположенной на большой глубине под облаками. В связи с этим исследователи обратили внимание на монооксид углерода (CO), который был обнаружен в верхних слоях атмосфер обеих планет.

В глубоких слоях атмосферы концентрация монооксида углерода напрямую зависит от количества воды. Восходящие потоки переносят этот газ наверх, где снижение температуры приводит к замедлению химических процессов. Несмотря на то, что по содержанию монооксида углерода можно косвенно оценить запасы кислорода в нижних слоях, итоговый результат также подвержен влиянию скорости перемешивания атмосферы. Планетологи учли эту особенность при разработке новой компьютерной модели, проанализировав различия между экваториальной и полярной зонами, а также влияние температуры и метана.

Проведенные расчеты показали, что соотношение кислорода к водороду в глубоких слоях атмосферы Урана может превышать аналогичный показатель для вещества, из которого сформировалось Солнце, в диапазоне от 62 до 177 раз. Для Нептуна этот диапазон оказался еще более широким – от 222 до 342 раз. Важно отметить, что эти значения не указывают на то, что одна из планет преимущественно состоит из кислорода; речь идет о соотношении элементов по отношению к исходному составу Солнечной системы.

Исследователи также определили соотношение углерода к кислороду в атмосферах планет-гигантов. Для Урана это значение составило от 0,06 до 0,52, для Нептуна – от 0,02 до 0,12. Таким образом, в недрах Нептуна на каждый атом углерода приходится больше атомов кислорода, чем в недрах Урана. Для выявления возможной причины этого различия ученые сопоставили полученные данные с результатами компьютерного моделирования газопылевого диска, из которого образовались эти планеты.

Анализ показал, что Уран, вероятно, сформировался вблизи своей нынешней позиции. В то же время Нептун, по всей видимости, возник ближе к Солнцу – в области, где вода уже находилась в твердом состоянии (в виде льда), а соединения углерода оставались в газообразном состоянии. Это могло привести к тому, что планета накопила относительно большое количество воды и меньшее количество углерода. Впоследствии Нептун мог переместиться на более удаленную от Солнца орбиту, заняв свое нынешнее положение.

Результаты научной работы, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics, пока не будет доказано обратное. Текущие оценки скорости перемешивания атмосферы остаются недостаточно точными, и изменение этого параметра может существенно уменьшить различия в составе планет. Дальнейшие исследования ледяных гигантов, включая отправку зонда для изучения их атмосфер, помогут уточнить полученные выводы.