Уран и Нептун могут быть мирами с магматическими океанами

Уран и Нептун принято называть ледяными гигантами. По классической трёхслойной модели у каждой планеты есть каменное ядро, мантия из водяного, метанового или аммиачного льда и оболочка из водорода и гелия с примесью метана. Команда Эдварда Янга из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе предложила другую картину недр. Работа опубликована в The Astrophysical Journal.

Магма вместо льда

Авторы приводят несколько свидетельств в пользу того, что льда в этих планетах может быть немного. Тела пояса Койпера, похожие на материал, из которого формировались Уран и Нептун, состоят в основном из камня. Протопланетные диски у других звёзд тоже бедны льдом. Расчёты методом молекулярной динамики показывают, что при высоком давлении водород растворяется в магме и образует хорошо перемешанную жидкость. В модели Янга такой океан лежит в глубине планеты. На его границе есть переходная зона, где расплавленные силикаты отделяются от водорода и дождём выпадают обратно. Выше неё остаются почти только водород и гелий.

Модель проверили на шести свойствах планет, многие из которых точно измерил «Вояджер-2». Это радиус и температура на уровне давления 1 бар, момент инерции, собственная светимость и два гравитационных гармонических коэффициента. Свободных параметров в модели три: доля водорода в массе планеты, давление в переходной зоне и интенсивность конвекции в газовой оболочке. Их подбирали методом Монте-Карло по схеме марковских цепей.

Модель хорошо воспроизводит наблюдения, кроме температуры Нептуна на уровне 1 бар. Модель её завышает, и авторы связывают это с большой неопределённостью непрозрачности атмосферы. Модель также объясняет две особенности планет. Из недр Урана почти не выходит тепло, потому что сильные химические градиенты в переходной зоне подавляют конвективный перенос тепла. Аммиака в атмосферах обеих планет мало, потому что он легко растворяется в магме. Авторы оговаривают, что их модель — одна из нескольких, согласующихся с наблюдениями. Её преимущество в малом числе параметров: такую модель проще проверить, и она меньше подвержена избыточной подгонке.