Открывают ли кольца Урана самые сокровенные тайны планеты?

Осенняя встреча AGU 2021

Гигантские ледяные планеты в нашей Солнечной системе, Уран и Нептун, гораздо более загадочны, чем Юпитер или Сатурн, и обладают большим потенциалом для новой науки. О них известно лишь несколько пролётов «Вояджера-2» в 1980-х годах и ограниченные наблюдения, которые можно было провести с помощью наземных телескопов. Почти ничего не известно о том, что происходит под облаками планет: о химическом составе, скрывающемся в их недрах, о размере ядра, о разделении атмосферных слоев или о том, как распространяется конвекция. Кольцевая сейсмология, метод, который успешно проник глубоко в Сатурн, также может помочь понять его меньших братьев и сестер.

«Мы изучаем эквивалент землетрясений на планетах-гигантах».

«Мы изучаем эквивалент землетрясений на планетах-гигантах», — сказал Джозеф Ахерн, аспирант физического факультета Университета Айдахо в Москве. Попытка кольцевой сейсмологии для Урана и Нептуна сложна, потому что «мы знаем гораздо меньше о недрах ледяных гигантов, чем о недрах газовых гигантов. Это также дает нам преимущество, потому что даже если мы обнаружим только некоторые волновые особенности в кольцах, это уже расскажите нам больше о части. “внутренней, чем мы знали раньше”.

Уроки Сатурна

Гравитация удерживает фрагменты льда и горных пород в планетарных кольцах и формирует их в соответствии с их прихотями. Таким образом, изменения в ближнем гравитационном поле могут ощущаться кольцами и быть достаточно возмущенными, чтобы их можно было увидеть глазами или камерами. Различные типы гравитационных возмущений — прохождение большой планеты, луна на резонансной орбите или конвекция в недрах самой планеты — могут вызывать растяжение, скручивание, деформацию или рябь колец. Кольцевая сейсмология — это наука об использовании кольцевых структур для обратного изучения причины гравитационных возмущений.

Космический аппарат «Кассини» обнаружил два типа волн в кольцах Сатурна, оба из которых огибают планету и растягиваются или сжимаются, как рябь. Большинство из них представляют собой волны со спиральной интенсивностью, такие как яркая деталь в центре, которые становятся более сжатыми по мере удаления от планеты. (На этом изображении Сатурн поворачивается вправо.) Спиралевидные волны, подобные изображению справа, все больше и больше отдаляются от планеты. Изображение предоставлено: NASA/JPL/Институт космических наук

Понятно, что мысли о кольцах планет перескакивают на Сатурн, и сейсмология колец была использована там с большим успехом. Миссия Кассини-Гюйгенс к Сатурну обнаружила несколько волновых состояний в кольцах планеты, одно из которых вызвано прохождением лун, а другое – переносом материала внутри планеты. Что касается Сатурна, сказал Ахерн, «кольцевая сейсмология смогла помочь нам найти стабильную стратиграфию в его недрах; она смогла обнаружить, что ядро ​​Сатурна диффузно; она также смогла ограничить скорость вращения Сатурна». об Уране и Нептуне».

Используя множество различных внутренних моделей Урана, Э’Хирн и его команда рассчитали, где в пределах 13 известных колец Урана мы можем ожидать появления возмущений, вызванных внутренней динамикой. Их расчеты показали, что узкие внутренние кольца Урана имеют правильную ширину, правильную толщину и правильное расстояние от планеты, чтобы уловить по крайней мере один или два резонанса, предсказанных наиболее разумными внутренними структурами. A’Hearn представит эти результаты в пятницу, 17 декабря, на собрании AGU осенью 2021 года.

«Кольцевая сейсмология Урана и Нептуна явно имеет большой потенциал», — сказал Равит Хилд, планетолог из Центра астрофизики и космологии Цюрихского университета, который не участвовал в этом исследовании. «Внутренности Урана и Нептуна плохо связаны, и тороидальная сейсмология может использоваться для обнаружения внутренних колебаний и может определять области в глубине, где присутствует конвекция и где конвекция запрещена».

А Нептун?

Группа А’Хирна пока только завершила расчеты Урана; Результаты исследования Нептуна еще не получены. Возможность использования кольцевой сейсмологии на меньшей ледяной планете-гиганте неясна. «Кольца Нептуна тоньше и расположены немного дальше [than Uranus]объяснила Надин Неттлеманн, астрофизик из Института планетарных исследований Немецкого аэрокосмического центра в Берлине, которая не участвовала в этой работе. Однако “Нептун имеет тепловой поток примерно в 10 раз выше, что может свидетельствовать о более сильных конвективных движениях. Его атмосфера также богаче облачными структурами, чем у Урана. Поскольку конвекция является одним из основных драйверов колебаний, она может быть сильнее по обширности и поэтому его легче обнаружить на Нептуне, чем на более спокойном Уране».

Добавил Ричард Френч, астроном из Колледжа Уэлсли в Уэлсли, штат Массачусетс, который не участвовал в этой работе. «Нептун по-прежнему представляет большую проблему, в значительной степени потому, что у нас очень мало наблюдений за его несколькими узкими кольцами».

«Вполне вероятно, что нам понадобится орбитальный аппарат, чтобы найти эти волновые особенности».

В сочетании с тем, что мы знаем о структуре и динамике внутри Сатурна, изучение кольцеобразных землетрясений одной или обеих ледяных планет-гигантов могло бы обеспечить лучшее понимание внутренней части газового гиганта, включая планеты-гиганты за пределами Солнечной системы. «Внутренняя плотность, давление и температура — фундаментальные свойства недр планет, которые могут дать ценные сведения об условиях их формирования и внутренней структуре», — сказал Френч. «Сопоставление Урана и Нептуна с Юпитером и Сатурном не только поможет нам понять вероятную историю формирования ледяных гигантов Солнечной системы, но также даст представление о многих других экзопланетах аналогичного размера и массы».

Можно ли провести кольцевую сейсмологию на Уране или Нептуне без расширенной планетарной миссии? Возможно, сказал Ахерн, но маловероятно. “Люди искали эти сигналы в данных “Вояджера”, но, поскольку “Вояджер” был просто полетом, он, вероятно, не собрал достаточно… чтобы мы могли идентифицировать эти структуры. Люди также искали данные наземного телескопа. И так что вполне возможно, что мы сможем найти сигнал с ними, но вполне вероятно, что нам понадобится орбитальный аппарат, чтобы найти эти волновые особенности».

—Кимберли М.С. Картье (Встроить твит), сценарист экипажа

цитата: Картье, КМС (2021), Могут ли кольца Урана открыть планету?х Сокровенные тайны?И Эос, 102, https://doi.org/10.1029/2021EO210641. Опубликовано 17 декабря 2021 г.
Текст © 2021. АГУ. CC BY-NC-ND 3.0.0 Обновить
Если не указано иное, изображения защищены авторским правом. Любое повторное использование без явного разрешения владельца авторских прав запрещено.

Leave a Comment