100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ученые объяснили загадку ядра Юпитера столкновением с большой планетой

Новые данные о странном ядре Юпитера. История масштабного столкновения в прошлом

На изображении от космического телескопа Хаббл (27 июня 2019 год) показана турбулентная атмосфера газового гиганта Юпитера. В новом исследовании считают, что ядро планеты сформировалось после массивного столкновения миллиарды лет назад

На изображении от космического телескопа Хаббл (27 июня 2019 год) показана турбулентная атмосфера газового гиганта Юпитера. В новом исследовании считают, что ядро планеты сформировалось после массивного столкновения миллиарды лет назад

Юпитер – крупнейшая планета Солнечной системы, которая не торопится открыть нам все свои загадки. Под своими атмосферными слоями этот газовый гигант скрывает загадочное ядро, до которого современной науке не удается добраться. Но в новом исследовании представили удивительные факты, указывающие на странности ядра и крупное столкновение Юпитера в прошлом.

Ученые считают, что 4.5 млрд. лет назад Юпитер столкнулся с протопланетой. Причем речь идет о крупном объекте, который мог превосходить земную массивность в 10 раз. Полагают, что сильное столкновение отразилось на особенностях ядра и позволяет лучше понять историю формирования планеты.

Исследователи долгое время были убеждены, что Юпитер располагает плотным и компактным ядром. Модели показывали, что оно должно по массивности достигать 5-20 земных. Подобное строение отлично вписывалось в стандартную модель формирования Юпитера: планета начинала в качестве скалистого и ледяного объекта, который постепенно притянул к себе примечательную газовую оболочку.

Однако исследование от миссии Юнона (космический корабль вращался на орбите вокруг газового гиганта) показало, что у Юпитера наблюдается скорее «разбавленное» ядро. То есть, это не только скалистый и ледяной материал, но и водород с гелием. Ранее считали, что между ядром и атмосферной оболочкой существует резкий переход. Выходит, что это не так.

Разбавленное ядро несет в себе важный вывод: оно не могло сформироваться естественным путем (если следовать классическим моделям).

Исследователи считают, что разбавленное ядро Юпитера сформировалось из-за столкновения планеты с массивной протопланетой

Исследователи считают, что разбавленное ядро Юпитера сформировалось из-за столкновения планеты с массивной протопланетой

Таким образом, удалось прийти к теории удара: после формирования Юпитер столкнулся с крупной протопланетой (где-то 10 земных масс). Это масштабное столкновение могло разрушить изначальное компактное ядро газового гиганта и создать разбавленную структуру.

Выходит, что при таком ударе ядро протопленеты и раннего Юпитера слились, а материалы объектов частично смешались с газовой оболочкой газового гиганта. И эти подписи все еще можно найти в планетарной структуре.

Когда Юпитер начал наращивать массивную газовую оболочку вокруг ядра, его масса возрастала в 30 раз на миллион лет. Откуда узнали массу потенциальной протопланеты-ударника? Это минимальная отметка, ведь только объект с массивностью в 10 земных сможет проникнуть сквозь массивную оболочку Юпитера.

К тому же, это было лобовое столкновение, что позволило разрушить ядро. Иначе объект просто медленно спустился бы к центру. Выходит, что в причудливом ядре Юпитера скрываются частицы другой планеты.

Читайте так же:
Уран – строение планеты, описание, орбита, поверхность, спутники, атмосфера, фото и видео

Астрономы: Юпитер столкнулся с огромной планетой

Самая большая планета Солнечной системы всё ещё таит немало загадок.

Иллюстрация NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Goddard Space Flight Center.

Учёные обнаружили следы катастрофы, миллиарды лет назад в буквальном смысле разбившей сердце Юпитера. Речь идёт о столкновении с большой (как минимум 10 масс Земли) планетой, угодившей в его ядро.

Подробности изложены в научной статье, опубликованной в журнале Nature группой во главе с Андреа Исельей (Andrea Isella) из Университета Райса в США.

Космический аппарат Juno изучает Юпитер с 2016 года. В числе прочего он измеряет гравитацию гиганта, так что астрономы могут делать выводы о его внутреннем строении.

Некоторое время назад данные зонда поставили планетологов перед проблемой. Ядро Юпитера оказалось гораздо менее плотным и более протяжённым, чем предполагали учёные. Измерения показали, что тяжёлые элементы (элементы тяжелее водорода и гелия) распределены по области, простирающейся из центра планеты почти до половины её радиуса. В то же время суммарная масса этих веществ составляет лишь 5–15% массы Юпитера.

Такой вывод противоречит общепринятым теориям рождения планет. Считается, что образование гиганта началось с плотного каменного или ледяного ядра, собиравшего вокруг себя водород и гелий. В небесном теле, образовавшемся таким способом, тяжёлые элементы должны плотно группироваться в центре.

Эксперты предложили разные объяснения найденной аномалии. Например, выдвигалась версия, что потоки вещества в прилегающих к ядру Юпитера областях постепенно разрушают его и выносят продукты эрозии ближе к поверхности. Но эффективность подобного механизма под вопросом. К другим предложенным сценариям также есть вопросы. В целом, общепринятого решения проблемы пока нет.

"Это озадачивает, – отмечает Иселья в пресс-релизе. – Это говорит о том, что произошло нечто, что всколыхнуло ядро [Юпитера], и именно здесь в игру вступает гигантское столкновение".

Идея авторов состоит в том, что прямое попадание другого небесного тела в ядро гиганта могло частично разрушить последнее, разбросав тяжёлые элементы по объёму планеты.

Чтобы оценить вероятность такого события, учёные провели тысячи компьютерных симуляций. Выяснилось, что стремительно растущий молодой Юпитер мог нарушать орбиты близлежащих протопланет, обрекая их на столкновение. Вероятность столкновения с другой протопланетой в первые миллионы лет жизни гиганта составила как минимум 40%. Кроме того, мощная гравитация делала лобовые столкновения более вероятными, чем удары по касательной.

Затем исследователи создали 3D-модели, показывающие, как столкновение повлияет на ядро Юпитера. Обнаружилось, что небесные тела размером с Землю просто не добрались бы до центра планеты, разрушившись из-за сопротивления менее глубоких слоёв.

Читайте так же:
Почему дым «успокаивает» пчел?

Планета массой в десять земных и более оказалась способна разбить Юпитеру сердце и привести к наблюдаемой картине распределения тяжёлых элементов. Правда, для этого требуется именно прямое попадание. Тело, ударившее по касательной, окажется в своего рода гравитационной ловушке и медленно погрузится в ядро планеты, не вызвав в нём больших разрушений.

Как показали расчёты, разбросанным космическим катаклизмом веществам потребуется много миллиардов лет, прежде чем они снова соберутся в центре Юпитера. Поэтому, несмотря на то, что предполагаемое столкновение произошло около 4,5 миллиарда лет назад, его последствия так заметны сегодня.

Юпитер: жертва древнего мегастолкновения?

Космическая катастрофа. Возможно, газовый гигант Юпитер пережил в период своей ранней истории лобовое столкновение с массивной протопланетой — с последствиями, которые все еще могут быть подтверждены и сегодня. И это потому, что тогда планетарный зародыш (то есть протопланета), который раз в десять превышал массу Земли, проник глубоко в недра газовой планеты и разрушил ее ядро. Такая версия может объяснить, почему ядро ​​Юпитера менее плотное и более «изношенное», чем должно было бы быть сегодня, пишут исследователи в журнале Nature.

Юпитер: жертва древнего мегастолкновения?

Вскоре после своего возникновения планета Юпитер могла столкнуться с протопланетой, имеющей десятикратную массы Земли, причем последствия этого сохраняются до сих пор. © K. Suda, Y. Akimoto/Mabuchi Design Office, Astrobiology Center Japan

Драматические столкновения не были редкостью в ранней Солнечной системе — наоборот. Например, согласно популярной теории, именно столкновение Земли с протопланетой размером с Марс создало нашу Луну. Вскоре после этого могло произойти и столкновение молодой Луны со вторым (гипотетическим) спутником Земли, в результате чего произошло их слияние. Что же касается планет Меркурий и Уран, ученые-планетологи тоже предполагают их ранние столкновения с протопланетами или планетарными строительными блоками.

Загадка «слишком тонкого ядра»

То, что даже газовому гиганту Юпитеру не удалось пережить такое столкновение без последствий, доказывает исследование, проведенное учеными под руководством Шан Фэй Лю из Университета Райса в Хьюстоне. Они озадачились вопросом, возникшим недавно в связи с данными, полученными космическим зондом NASA «Юнона». Дело в том, что измерения зонда показали, что ядро ​​Юпитера менее плотное и менее четко очерченное, чем можно было ожидать. При этом тяжелые элементы, сосредоточенные в нем, распределены далеко в вышележащие слои.

«Это удивительно», — говорит коллега Лю Андреа Изелла. И такое удивление вполне объяснимо: столь «разбавленное» ядро ​​противоречит общепринятой теории формирования планет, в соответствии с которой газовые планеты должны иметь твердое, четко ограниченное ядро. «Это говорит о том, что должно было случиться нечто, что перемешало это ядро», — объясняет Изелла. Но вот только что? И исследователям удалось воспроизвести это в модели.

Читайте так же:
Атмосфера Титана воссоздана на Земле

Вероятность раннего столкновения

Их предположение: очень вероятно, что ядро ​​Юпитера изменило столкновение с другим небесным телом. Но как должно было протекать такое столкновение? И насколько это было бы вероятно? Чтобы проверить это, Лю и его команда воспроизвели космическое окружение молодого Юпитера в процессе компьютерного моделирования. Они симулировали несколько десятков тысяч вариантов моделей, исследуя, как часто могли происходить столкновения и какие характеристики должны были бы иметь ударное космическое тело и сам удар.

Юпитер: жертва древнего мегастолкновения?

Эффекты столкновения юного Юпитера с протопланетой десятикратной земной массы. © Shang-Fei Liu/ Sun Yat-sen University

«Нам удалось выяснить, что быстрорастущий Юпитер оказывал сильное влияние на соседние планетарные эмбрионы», — говорят исследователи. — «В большинстве вариантов сценариев планетарный зародыш столкнулся с Юпитером в течение первых миллионов лет его существования». По причине мощной гравитационной силы молодой газовой планеты, которая тогда уже перешла с детской на юношескую стадию развития, в большинстве случаев лобовое столкновение оказывалось неизбежным.

Протопланета с десятикратной массой Земли

Но, как показали эксперименты, чтобы проникнуть в ядро ​​Юпитера, столкнувшаяся м ним протопланета, должна была обладать массой в десять раз большей, чем Земля. «Космическое тело-импактор, имеющее одну массу Земли или меньше, просто рассыпалось бы в оболочке газового гиганта», — объясняют Лю и его команда. — «Однако, если ударный объект не угодит прямо в ядро, ударная волна окажется слишком слабой, чтобы рассеять тяжелые элементы из ядра в оболочку Юпитера».

Но вот если бы в Юпитер врезалась массивная протопланета, последствия как раз оказались бы весьма значительными. «Поскольку оно было плотным и несло в себе много энергии, таранящее тело могло пробиваться сквозь оболочку, словно пуля, попадая затем в ядро, — говорит Изелла. Это столкновение нагрело бы центр газового гиганта примерно до 30 000 градусов и расплавило бы и ядро, ​​и ударный элемент. После этого часть этого материала была выброшена в оболочку Юпитера, а остальное слилось в новое ядро.

Последствия сохраняются и по сей день

При этом самым важным остается то, что даже спустя много времени после того, как это новое ядро ​​Юпитера затвердело, некоторые из выброшенных тяжелых элементов остаются разбросанными по всей оболочке планеты. «Потребовались бы миллиарды лет, чтобы этот материал полностью погрузился в ядро», — объясняет Изелла.

Поэтому, по мнению исследователей, именно их сценарий вполне способен объяснить, почему ядро ​​Юпитера менее плотное и более «изношенное», чем должно было бы быть сегодня — оно просто не полностью восстановилось после этого доисторического столкновения.

Читайте так же:
Как ускорить обмен веществ — изучаем все нюансы

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

В прошлом Юпитер поглотил планету в 10 раз массивнее Земли, считают ученые

В эпоху становления Солнечной системы Юпитер, возможно, «проглотил» формирующуюся планету, масса которой немного не дотягивала до массы современного Урана. Такое событие, если оно имело место, с успехом объясняет аномалии в структуре, составе и магнитном поле газового гиганта, выявленные в ходе миссии NASA «Juno» и в рамках наземных наблюдений. Результаты моделирования столкновения и выводы ученых представлены в журнале Nature.

«В последние два года космический аппарат «Juno» измерял гравитационное поле Юпитера с исключительной точностью. Результаты показали, что водородно-гелиевая оболочка планеты не имеет однородного состава: внутренняя часть содержит больше тяжелых элементов, чем внешняя. Мы считаем, что эта асимметрия возникла в результате лобового столкновения молодого Юпитера с планетарным зародышем, масса которого была примерно в десять раз больше массы Земли. В результате их ядра слились, а затем вновь образованное, частично перемешалось с оболочкой Юпитера. Это объясняет структуру планеты, наблюдаемую сегодня», – пишут авторы исследования.

Поразительный вид на Большое Красное Пятно Юпитера и турбулентное южное полушарие. Credits: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

Сегодня скалистые планеты и спутники Солнечной системы усыпаны шрамами от прошлых ударов, например, Луна покрыта многочисленными кратерами, а ее образование, кстати, также связано с катастрофическим столкновением примерно 4,5 миллиарда лет назад между Землей и массивным телом размером с Марс. Но такие события не оставляют видимых отпечатков на жидких поверхностях газовых гигантов, и судить об их бурной юности можно лишь по косвенным признакам, среди которых наклон оси вращения. У Сатурна он составляет 27 градусов, у Урана – 98 градусов, у Нептуна – 30 градусов.

Также известно, что массивные планетарные зародыши порядка десяти масс Земли должны были присутствовать в ранней Солнечной системе в большом количестве, дополняя планеты, которым удалось дожить до наших дней.

Особенный Юпитер

Однако Юпитер с его небольшим наклоном оси вращения всего в 3 градуса выбивается из общей картины и, как казалось раньше, является единственным среди четырех гигантов, оставшимся нетронутым в те жестокие времена.

«В основном Юпитер состоит из водорода и гелия. Но наблюдения за его атмосферным составом и гравитационным полем показывают, что он также содержит более тяжелые элементы в центральном ядре и оболочке, которая является жидкой и, как ожидается, в значительной степени подвержена конвекции. Поэтому для нас стало полной неожиданностью, когда зонд «Juno» указал на ее неоднородность, а также на частичное «растворение» ядра, простирающееся почти до половины радиуса планеты», – добавляют авторы исследования.

Читайте так же:
Как появился гимнастический обруч: Hula-Hoop

Художественное представление молодой Солнечной системы. Credit: NASA

Создание такой внутренней структуры потребовало бы доставки на молодой Юпитер тяжелых элементов в количестве, эквивалентом 10 – 20 массам Земли. При этом это должно было произойти уже после образования его ядра и строго до накопления половины массы текущей газовой оболочки. Но модели формирования планет говорят, что эта гипотеза маловероятна, в ней много проблем, и она не может объяснить наблюдаемое обилие тяжелых элементов, увеличивающееся с глубиной.

Другая идея – эрозия ядра, но такой процесс имеет тенденцию к удалению любых небольших «градиентов» состава, которые зафиксированы в оболочке, а не приумножать их.

Лобовое столкновение

Решение этой проблемы, предложенное планетологом Шанг-Фейем Лю из Школы физики и астрономии при Университете в Гуанчжоу (Китай) и его командой, удивительно простое. Оно предполагает почти лобовое столкновение планетарного зародыша с плотным ядром из тяжелых элементов с формирующимся Юпитером. Затем ядра двух тел сливаются и частично смешиваются с оболочкой газового гиганта.

В рамках моделирования ученые показывают, что при охлаждении и последующем конвективном перемешивании внешней части оболочки смешиваются только некоторые тяжелые элементы, в результате чего ядро ​​планеты остается относительно нетронутым. Таким образом, это событие может объяснить и частичное «растворение» ядра, обнаруженное «Juno», и глобальное изобилие тяжелых элементов в атмосфере Юпитера.

Три фазы столкновения. Цвета показывают плотность. А) Юпитер с плотным центральным ядром и водородно-гелиевой оболочкой и протопланета с ядром богатым тяжелыми элементами. B) Cразу после столкновения два ядра слились, и вновь образованное частично смешалось с оболочкой Юпитера. С) Со временем оболочка полностью обогатилась тяжелыми элементами. Credit: Nature/Liu et al.

«Наша модель показывает, что жестокие столкновения довольно распространены в период формирования миров, и они могут объяснить наклоны оси вращения планет в Солнечной системе. Кроме этого, наша работа дает подсказки при поиске ответа на другой давний вопрос: как некоторые «горячие Юпитеры» накопили более 100 земных масс тяжелых элементов. Учитывая, что они очень близко расположены к своим звездам, где гравитационное притяжение светил чрезвычайно сильно, эти гигантские экзопланеты с легкостью могут собирать планетарные эмбрионы, а не выбрасывать их, и, таким образом, увеличивать содержание тяжелых элементов», – заключают авторы исследования.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию