3

Среди гигантов

Каждая из четырех планет-гигантов Солнечной системы по-своему примечательна – на них бушуют ужасающие ураганы, дуют сверхзвуковые ветры; в вышине проплывают диковинные облака, а поверхность первобытных вод скрывает неизмеримые глубины. Не менее удивительны и спутники этих планет, с их океанами, олицетворяющими первобытный ужас и мрак, вулканами, гейзерами и проливными метановыми дождями.

Царь-планета

Юпитер превосходит по массе все остальные планеты Солнечной системы, вместе взятые. Его гравитация формирует пояс астероидов. Его мощное магнитное поле содержит жесткие радиационные пояса. Попутно Юпитер выполняет роль «чистильщика» в Солнечной системе, избавляя нас от нашествия бродячих комет – его гравитационное поле служит для землян щитом безопасности.

В июле 2016 года зонд «Юнона» вышел на орбиту вокруг Юпитера. НАСА отправило космическую межпланетную станцию, чтобы изучить протекающие на планете процессы и ее структуру. Девять приборов «Юноны» старательно проникали своим механическим взором в глубины гигантских бурь, которые постоянно бушуют на Юпитере. Зонд рисовал картину распределения гравитационных и магнитных полей, искал признаки твердого ядра и наблюдал всполохи полярных сияний, лихорадящих атмосферу планеты.

У «Юноны» была необычная траектория. Путь космической станции пролегал не вдоль экватора газового гиганта, а над его полюсами. Это удерживало станцию на безопасном расстоянии от радиационных поясов Юпитера, которые представляют несомненную опасность для электроники и электрических систем космических аппаратов.

Космический аппарат облетел вокруг Юпитера 37 раз. В начале 2018 года отдали команду жесткой посадки на планету, и «Юнона» перестала существовать.

Первые данные, полученные в апреле 2017 года, бросили вызов всем нашим представлениям о планете, от ее атмосферы и до внутреннего строения. В атмосфере Юпитера, вдоль его экватора, нашли плотную зону аммиачного газа; в других областях аммиак был более разрежен. Несомненно, формирование погоды Юпитера сильно зависит от присутствия аммиака. Мы и раньше знали, что Юпитер окутан аммиачными облаками, но существование проникающего на такую глубину пояса аммиачного газа – а он тянется вглубь под облака на 300 км – оказалось сюрпризом. Погода на Юпитере затрагивает обширный диапазон высот – это также стало для ученых новостью.

Еще одна неожиданность: магнитное поле Юпитера оказалось очень мощным, а у магнитосферы неправильная форма. Искривление поля может быть вызвано необычным динамо-эффектом: он формируется в нескольких внутренних слоях Юпитера, которые расположены далеко от ядра – возможно, в слое металлического водорода.

Уже на первых этапах исследования планеты зонд получил важные сведения о ее атмосфере. Камера зафиксировала и отослала на Землю снимки десятков гигантских, шириной в сотни километров циклонов, бушующих над полюсами. Ранее об их существовании даже не подозревали. В поясах к югу от юпитерианского экватора замечены странные белые овалы. Возможно, это облака, состоящие из аммиака и гидразина. Последнее вещество используют на Земле в качестве ракетного топлива.

Растворяющееся ядро

Зонд бросил вызов и моделям внутренней структуры Юпитера. Раньше считалось, что внутри он довольно однороден: атмосфера, состоящая из молекулярного водорода, простирается вглубь примерно на 1000 метров. Предполагалось, что в более низких слоях из-за огромного давления водород превращается в металл: протоны блуждают в море электронов; капли гелия и других элементов могут в виде дождя падать из атмосферы. А еще ниже, на глубине 70 000 км, должно было находится небольшое твердое ядро. Такая картина строения Юпитера основывалась на данных о гравитационном поле планеты.

Но самые первые измерения гравитационного поля, выполненные «Юноной», внесли коррективы в эту модель. Оказалось, что внутренние слои планеты не столь однородны по своему составу. Ядро Юпитера не твердое, как у Земли, а скорее «размытое» – в него проникают вышележащие слои металлического водорода. Такая картина соответствует более ранним расчетам (2011) внутреннего строения Юпитера, согласно которым твердое ядро планеты может постепенно растворяться, подобно таблетке, брошенной в воду.

В настоящее время считается, что планеты-гиганты – такие как Юпитер и Сатурн – на начальных этапах своего развития являются твердыми телами, состоящими из камня и льда. Затем, когда они достигают десятикратной массы Земли, их поле тяготение начинает всасывать газ из родительской туманности. Вокруг них образуется плотная атмосфера, состоящая в основном из водорода. Забавно, но, согласно некоторым исследованиям, масса юпитерианского ядра меньше десяти масс Земли, в то время как в ядре меньшего собрата Юпитера, Сатурна, «упаковано» от 15 до 30 Земель.

Некоторые исследователи предположили, что большое давление и температура в сердцевине Юпитера могут привести к тому, что его ядро растворится в окружающей атмосфере, которая при таком высоком давлении ведет себя как жидкость. Хью Уилсон, ныне работающий в Государственном объединении научных и прикладных исследований (CSIRO) в Мельбурне (Австралия), и Беркхард Милитцер из Калифорнийского университета в Беркли (США) использовали уравнения квантовой механики, чтобы понять, как ведет себя минеральный оксид магния – считающийся составной частью ядра Юпитера – при давлении, подобном давлению Юпитера (примерно в 40 миллионов раз больше нормального атмосферного давления на Земле), и температуре 20 000 °C. Они обнаружили, что в этих условиях оксид магния действительно растворяется в жидкой среде. Растворенные камни могут со временем смешаться с остальной атмосферой.

На Сатурне, масса которого составляет около трети массы Юпитера, условия не столь экстремальны. Если ядро Сатурна и растворяется, то, согласно проведенным расчетам, растворение будет медленным. В то же время на планетах массивнее Юпитера этот процесс протекает значительно быстрее. Из-за этого многие крупные экзопланеты могут вообще не иметь ядер (см. главу 7).