Uran i Neptun mogą być innymi planetami, niż sądziliśmy

Niezwykły toczący się po orbicie Uran i Neptun to jedyne planety Układu Słonecznego (przy założeniu, że Plutona już nie traktujemy jako planety), które nie były znane w czasach starożytnych. Powód bardzo prosty. Uran to obiekt na granicy czułości ludzkiego oka, a Neptun jest już niedostrzegalny nawet przy idealnych warunkach pogodowych. Na dodatek, to planety już bardzo dalekie od Słońca, które nie manifestują swojego ruchu po niebie tak spektakularnie jak planety bliższe. Ludzie, którzy widzieli Urana w dawnych czasach nie zdawali sobie sprawy z tego, że to planeta, bo zlewał się on z tłem licznych gwiazd w otoczeniu.

Neptun obecnie znajduje się na dziennym niebie, czyli jest za Słońcem. Z kolei Urana można próbować dostrzec o zachodzie Słońca tuż ponad Jowiszem nad zachodnim horyzontem. (fot: Stellarium)

Uran został odkryty przez Williama Herschela w 1781 roku i jest to pierwsza planeta odkryta przy pomocy teleskopu. Potem okazało się, że jego ruch po niebie nie pasuje do obliczeń, a jako winnego zasugerowano inną jeszcze planetę, która znajduje się za orbitą Urana. To był tryumf ówczesnego rachunku zaburzeń, który obecnie jest bardzo przydatny podczas określania orbit różnych ciał niebieskich w Układzie Słonecznym. Hipotetyczna planeta stała się rzeczywistą za sprawą Johanna Galle, który (namówiony do poszukiwań przez Urbaina Le Verriera) odkrył ją w 1846 roku.

Orbity planet, Mars, Jowisz, Saturn oraz Uran i Neptun. Mapka stworzona zanim Pluton uznano za planetę karłowatą. (fot: NASA)

Galle nie był pierwszym astronomem, który zaobserwował Neptuna, ale wcześniej brak informacji o istnieniu takiej planety skłaniał obserwatorów do zaklasyfikowania Neptuna jako zwykłej gwiazdy. Tak postąpił między innymi Galileusz, którego teleskop był w stanie pokazać Neptuna. Z początku Uran i Neptun nie były nazwami akceptowanymi przez szerokiego grono astronomów. Przed odkryciem tej drugiej z planet funkcjonowały także nazwy pochodzące od nazwisk lub inne nawiązania do mitologii niż zaakceptowane obecnie.

Zdjęcia Urana wykonane z Ziemi przez teleskop VLT. To po lewej jeszcze przed użyciem optyki adaptatywnej, pokazuje jak dużo zmienił postęp w technologiach obserwacyjnych. (fot: ESO)

Uran i Neptun - era lodowych olbrzymów

Obie planety są kilkanaście razy masywniejsze od Ziemi. Neptun ma większą masę niż Uran, ale z kolei jest nieco mniejszy. W literaturze planety były przedstawiane jako znacząco różniące się wyglądem. Uran w bladoniebieskim kolorze z praktycznie niewidocznymi strukturami na powierzchni, czyli górnym pułapie chmur. Neptun miał bardziej wyrazisty wygląd, mocno niebieski z zauważalnymi pasami chmur i wielką ciemną plamą, przypominającą wyglądem zjawisko atmosferyczne obserwowane na Jowiszu.

Taki pogląd na temat wyglądu, a także budowy wewnętrznej obu planet, która zakłada że mają one skaliste lub skalosto-lodowe jądro, otoczone lodowym płaszczem, a na zewnątrz wodorowo-helową atmosferą, utarł się na podstawie obserwacji w drugiej połowie XX wieku, a także danych zebranych przez sondę Voyager 2. Jako jedyna odwiedziła obie planety, wykonała ich zdjęcia z bliska, a także odkryła pierścienie jak i liczne dodatkowe księżyce.

Ponieważ wspomniany lód, a także sugerowana woda jonowa (stan, gdy cząsteczki wody są rozdzielone na jony), stanowią znaczącą cześć masy planety, określa się je mianem lodowych gigantów, w przeciwieństwie do gazowych gigantów jakimi są Jowisz i Saturn (są też teorie, że Saturn jest takim nieudanym gazowym gigantem).

Prawdziwe kolory Urana i Neptuna na podstawie nowej analizy obrazów z Voyagera 2. (fot: Patrick Irwin, University of Oxford)

Powyższe poglądy na temat obu planet został ostatnio poddane poważnemu testowi. Najpierw, z początkiem 2024 roku, zweryfikowana została wiedza na temat wyglądu obu planet. Okazało się, że zdjęcia z Voyagera 2, ale także te wykonane przez teleskop Hubble’a, były nieprawidłowo przetworzone, czego efektem były wspomniane mocne kontrasty i nasycenie barwy niebieskiej.

W rzeczywistości Neptun jest wizualnie bardzo podobny do Urana (ilustracja powyżej). Choć stracił na swojej efektowności, nie stał się jednak przez to mniej ciekawy, bo teraz okazuje się, że nie tylko wygląd, ale i budowa obu planet mogła być dotychczasowo błędnie pojmowana.

Skąd wiemy jak zbudowane są planety wewnątrz

To rzecz, która jest równie fascynująca co tajemnicza dla laika nieobeznanego z technikami badawczymi. Na Ziemi i Marsie, a także na Księżycu, znakomitą pomocą są dane sejsmiczne. Dla innych planet wykorzystuje się także pomiary grawitacji, pola magnetycznego, a także dane wynikające z obserwacji składu zewnętrznego.

W przypadku Ziemi możemy z dużą pewnością postulować jej wewnętrzną budowę, bo pomiarów sejsmicznych mamy aż nadto. W przypadku Księżyca niedawno udało się uzyskać nowe dane sugerujące budowę inną niż dotychczas dzięki analizie danych z sejsmografów. Również dane sejsmiczne zebrane niedawno przez sondę In Sight pozwoliły ustalić najprecyzyjniejszy model wnętrza tej planety.

Ogólnie akceptowane modele wewnętrznej budowy Urana i Neptuna. Dwa warianty, z ostrymi granicami pomiędzy warstwami materii i z wymieszanym składem (na dole). (źródło: SpringerLink)

Co jednak z planetami gazowymi? Tutaj również przydatne są pomiary grawitacji i pola magnetycznego przez orbitery, ale bardzo istotne są modele teoretyczne. Wraz z nadejściem ery komputerów, modelowanie numeryczne stało się bardzo ważną częścią astronomii. Dziś, dzięki ogromnemu postępowi w wydajności obliczeniowej możemy pozwolić sobie na tworzenie setek tysięcy modeli budowy wewnętrznej w rozsądnym czasie (dużo krótszym niż cała kariera naukowca) i wskazywanie tych najbardziej prawdopodobnych.

I tu zaczyna się zabawa. Bo obecny model lodowego giganta, który wedle niektórych szacunków zawiera dziesiątki tysięcy razy więcej wody niż Ziemia, wcale nie jest tym, który musi najlepiej odpowiadać rzeczywistości. Według autorów nowej analizy budowy wewnętrznej Urana i Neptuna, dotychczasowe badania pomijały najważniejszą rzecz - wiedzę o tym, co działo się, gdy te planety powstawały.

Uran i Neptun - ich wewnętrzna budowa i skład inne niż przypuszczano

Wiemy, że w młodym Układzie Słonecznym, gdy Uran i Neptun formowały się z chmury pyłu otaczającej Słońce, ich rosnąca grawitacja przyciągała liczne kometopodobne planetozymale. To według niektórych modeli ewolucyjnych doprowadziło do migracji orbit, które były wcześniej ciasne, a nawet możliwe jest, że Neptun początkowo znajdował się bliżej Słońca niż Uran.

Uran i Neptun. Obserwacje w podczerwieni wykonane przez teleskop Webb. (fot: NASA/Webb)

Problem powstawania planety w akceptowany dotychczas sposób, który prowadzi do obfitości w lód wodny, wynika z faktu, że wedle najnowszej wiedzy planetozymale powinny obfitować w węgiel lub jego związki, a nie w lód. Kierownik zespołu, który stworzył nowy model budowy Urana i Neptuna - Uri Malamud - próbuje wyjaśnić tę niezgodność, czyli odpowiedzieć na pytanie jak lodowy gigant mógł się uformować, gdy budujące go cegiełki nie zawierały wystarczającej ilości potrzebnych składników.

W tym celu stworzono różne modele budowy wewnętrznej, w których oprócz wody uwzględniono także metan. Ten był brany już pod uwagę jako element składowy Urana i Neptuna, bo występuje w atmosferach planet, ale w zbyt małym stopniu.

Nowy model budowy wewnętrznej Urana i Neptuna przyjmuje istnienie obfitej w metan otoczki, która znajduje się poniżej atmosfery planetarnej. Jej masa może stanowić znaczący ułamek masy planety.

Najbardziej zgodne z rzeczywistością okazały się modele, które nie negują co prawda istnienia wodnej warstwy tworzącej płaszcz, ale dodają jeszcze jeden składnik. Niejako dodatkowy zewnętrzny płaszcz, który może mieć nawet 10 do 20 % masy planety (zależnie od modelu), a który tworzy zamrożony metan. Przy okazji sugerowane reakcje chemiczne we wnętrzu planety, które doprowadziły do powstania metanu odpowiadają także za występowanie wody.

Jak widać nie tylko planety pozasłoneczne potrafią być zagadkowe. Uran i Neptun to dowód na to, że nasz układ planetarny jako całość wciąż jest wielką niewiadomą. Ostateczną odpowiedź na pytanie „jak powstał każdy z jego składników?” może dać prawdopodobnie tylko dokładna jego eksploracja z pomocą sond. A to wymaga albo czasu, albo postępu w technologiach napędy międzyplanetarnego, jeśli chcemy uzyskać choćby wstępne wyniki szybciej niż w ciągu kilku pokoleń.

Źródło: space.com, arxiv, inf. własna