Сердце великана: Как заглянули в ядро Юпитера

Как изменились наши представления о строении Юпитера благодаря работе Милитцера и его коллег. Вверху — новая модель строения планеты, с твердым ядром, окруженным ледяной «коркой». Внизу — предыдущая гипотеза, в рамках которой считалось, что лед из воды, аммиака и метана распределен в атмосфере, а ядро в целом меньше

Юпитер и Земля: на смонтированной фотографии видно, как огромен этот газовый гигант

Состоит планета, в основном, из водорода и гелия. Считается, что в центре ее имеется твердое каменное ядро из более тяжелых элементов, сжатых колоссальным давлением; размер ядра в сравнении с Юпитером ничтожен, но и оно больше всей нашей Земли

Юпитер практически полностью состоит из легких элементов — водорода и гелия. Представим себе величественную картину его структуры: под густыми и неспокойными облаками вглубь простирается слой водорода с добавками гелия — толщиной до 25 тыс. км, постепенно, под воздействием все возрастающего давления и температуры, переходя из газовой в жидкую фазу. Четкой границы между фазами нет; все это выглядит скорее как колоссальный кипящий водородный котел.

Ниже его на 30−50 тыс. км расположен жидкий водород, при таких условиях имеющий металлические свойства: давление в многие миллионы атмосфер отрывают электроны от протонов, и такая жидкость прекрасно проводит электричество. Здесь рождаются мощные электрические поля, которые формируют магнитное поле всей планеты.

Еще глубже расположено твердое каменное ядро, куда за миллиарды лет существования планеты мигрировали все тяжелые элементы и под давлением от 30 до 100 млн атмосфер образовали весьма плотную «горошину» диаметром до 30 тыс. км и разогретую до 20 тыс. градусов.

Однако недавно проведенное компьютерное моделирование показало, что в размерах ядра Юпитера ученые до сих пор ошибались, причем серьезно. Современные технологии позволили детализировано смоделировать поведение водородно-гелиевой смеси при экстремально высоких давлении и температуре — настолько высоких, что в лаборатории провести подобные опыты не представляется возможным.

Группа ученых под руководством Баркхарда Милитцера (Burkhard Militzer) моделировала свойства водородо-гелиевой смеси, начав с температуры, плотности и давления, существующих на поверхности Юпитера, и постепенно продвигаясь вглубь, к ядру планеты, куда, конечно, не может заглянуть пока что ни один искусственный аппарат.

Оказалось, что ядро Юпитера представляет собой каменистое тело наподобие Земли, только в 14−18 раз тяжелее нашей планеты — и составляющее примерно 5% всей массы Юпитера (остальные 95% приходится на водородно-гелиевую атмосферу). Ранее считалось, что ядро Юпитера не может быть тяжелее 7 земных масс, а некоторые полагали, что у газового гиганта ядра и вовсе нет.

Данные компьютерного моделирования показали, что ядро состоит из последовательных слоев металлов, каменистых пород, а также льда из метана, воды, аммиака. По подсчетам группы Милитцера, ледяная корка ядра имеет массу около 4-х земных, то есть примерно 1% всей массы Юпитера. В самой его сердцевине находится «изюминка» из железа и никеля (как и в ядре нашей собственной планеты).

«Наше исследование говорит, — пояснил Милитцер, — что в центре Юпитера расположен крупный каменистый объект, окруженный слоями льда — единственного льда на всей планете… (ранее считалось, что лед разного состава более-менее равномерно распределен по атмосфере планеты — ПМ) Его ядро можно сравнить с Нептуном или Ураном — планетами, которые называются «ледяными гигантами», поскольку они представляют собой каменистые тела, окруженные толстым слоем льда из водорода и гелия — чтобы «получить» Юпитер, достаточно добавить толстый жидкостно-газовый слой».

Подобное строение планеты, кстати, имеет ряд интересных следствий. Во‑первых, можно сказать, что появившийся около 4,5 млрд лет назад Юпитер формировался сперва за счет столкновения небольших каменистых тел, которые со временем образовали его ядро, которое, в свою очередь, понемногу захватило колоссальную атмосферу водорода и гелия.

Кроме того, различные «слои» Юпитера вращаются с различной скоростью. Планету можно представить себе, как составленные друг с другом концентрические цилиндры, вращающиеся вокруг общей оси: ближе к экватору они вращаются быстрее. Кстати, подобное неравномерное вращение также наблюдается и у Солнца.

Между прочим, долгие годы считалось, что Юпитер является своего рода ангелом-хранителем нашей планеты, своей мощной гравитацией улавливая львиную долю прилетающих из космоса опасных комет и астероидов. Однако выяснилось, что это не так и, более того, может оказаться, что именно Юпитер направляет их поближе к Земле. Читайте почти детективную историю «Злой гигант».

По пресс-релизу UC Berkeley