Созданная учеными компьютерная модель внутреннего строения Юпитера впервые показала хорошее соответствие с имеющимися данными наблюдений. Ядро газового гиганта оказалось относительно небольшим, однако его оболочка, состоящая из металлического водорода, содержит повышенное количество тяжелых элементов, причем их концентрация постепенно увеличивается в направлении к центру планеты.
Внешние планеты Солнечной системы существенно отличаются от Земли. Газовые гиганты не имеют привычной твёрдой поверхности, а под облаками располагается обширный слой газов и «льдов», подвергающийся воздействию экстремального давления и температуры.
Согласно классической теории, газовые гиганты, газовые гиганты, в число которых входят Юпитер и Сатурн в нашей системе, имеют трехслойное строение: это плотная оболочка, состоящая из водорода и гелия, а также «мантия», состоящая из металлического водорода и сравнительно небольшого ядра из экзотических форм скал и льдов (Уран и Нептун теперь выделяют в отдельный класс — ледяные гиганты).
Ранее такая проверка была невозможна. Наиболее простой метод определения внутреннего строения планет — это проведение точных измерений гравитационного поля с близкой орбиты и создание на его основе модели распределения материи внутри планеты.
В двадцать первом веке гравитационное поле гигантов, наконец, исследовали с помощью высокоточного отслеживания траектории орбитальных аппаратов — « Юноны» у Юпитера и «Кассини» у Сатурна. Первичный анализ, опубликованный в 2017 году, выявил существенные расхождения между первоначальными моделями строения Юпитера и фактическими данными, полученными в ходе наблюдений.
Выяснилось, что его основная часть «растворена» в металлическом водороде: содержание «металлов», которые астрономы классифицируют как все элементы, более тяжелые, чем гелий, уменьшается по мере удаления от центра и остается существенным примерно до половины радиуса планеты.
В рамках нового исследования международная группа ученых под руководством специалистов из Нидерландского института космических исследований (SRON), провела повторное компьютерное моделирование недр Юпитера (препринт оригинальной статьи можно найти здесь). На этот раз их целью было создание согласованной модели, способной обеспечить более высокую точность соответствия как данным гравитационных измерений, так и другим эмпирическим сведениям.
Согласно последним данным, температура недр Юпитера оказалась несколько выше первоначальных оценок. Однако, полное смешивание вещества не зафиксировано, даже несмотря на его «жидкое» состояние. В результате, температура облачного слоя оказалась ниже прогнозируемой, а тяжелые элементы внутри планеты распределены неравномерно.
Новые модели устраняют как резкую границу между ядром и мантией, так и альтернативный вариант – однородное распределение тяжелых элементов. Их содержание плавно увеличивается с глубиной, что подтверждает гипотезу о «растворенном ядре».
Основываясь на результатах предшествующих исследований, если считать, что общая масса тяжелых элементов в структуре Юпитера находится в диапазоне от 24 до 28 масс Земли (а сам Юпитер в 318 раз превышает массу Земли), то формируется следующая картина.
Масса внутреннего ядра Юпитера, сформированного исключительно из тяжелых элементов, не превышает семи, хотя, вероятно, составляет всего четыре земные массы. Дополнительные две массы в основном представлены водяным паром, метаном, аммиаком и сероводородом, которые находятся в верхних слоях планеты. Оставшаяся часть, от 15 до 25 земных масс, расположена в нижней мантии, состоящей из металлического водорода. В этой области, наряду с «ледяными» соединениями, растворены «горные породы» – вещества, которые в обычных условиях являются силикатами и железными сплавами.
В отличие от предыдущих разработок, новая модель учитывает концентрацию тяжелых элементов, зафиксированную в верхних слоях атмосферы Юпитера. Также она позволила установить, что зональные ветровые пояса, видимые через телескоп в виде полос на поверхности планеты, уходят вглубь на значительное расстояние. Их протяженность составляет три тысячи километров, где давление достигает 100 тысяч атмосфер.
Данная модель помогает понять, как тяжелые элементы оказались на Юпитере в процессе его формирования. Она лучше всего объясняется столкновениями с планетезималями, достигавшими километровых размеров, а не постоянным потоком мелких частиц».
Помимо определения гравитационного поля, существует и другой способ изучения недр, применимый как к каменистым планетам и звездам, так и к газовым и ледяным гигантам — сейсмология. Этот метод позволяет получить более точные данные, чем гравитационные измерения.
Для тел, лишенных твёрдой поверхности, целесообразно оценивать не сотрясения, а непрерывные колебания газовых оболочек небесного объекта. Надеемся, что в будущем в атмосферах Юпитера и других планет-гигантов будут функционировать долговечные зонды, способные непосредственно фиксировать их газообмен и пульсации.