Несмотря на то что у газовых гигантов в целом и у Юпитера в частности нет доступной для посадки и видимой из космоса твердой поверхности, ученые уже довольно много знают об их внутренней структуре. Ключевую роль в изучении таких планет играет наблюдение за их внешними полями, магнитным и гравитационным. Магнитное поле Юпитера (самое мощное в Солнечной системе после солнечного) указывает, например, на то, что внутри массивного ядра планеты находится материал, проводящий электрический ток, а собранные недавно космическим аппаратом Juno данные о гравитационном поле указывают на то, что ядро Юпитера больше, чем думали ученые.
Ранее астрономы считали, что это ядро компактнее и плотнее. Разницу между наблюдениями и теорией, по мнению авторов работы, можно объяснить столкновением газового гиганта с другой планетой. Ядра планет при столкновении слились, и в результате сформировалась структура с бо́льшим размером и меньшей плотностью. Ученые смоделировали подобное событие и обнаружили, что результат хорошо согласуется с новой информацией от Juno.
Уже собранные аппаратом данные указали на то, что «каменное» ядро больше расчетного, а плотность — меньше. Теория предсказывала немного иное: согласно ей, у Юпитера должно быть более компактное ядро, поскольку растущая планета должна была сначала поглотить все элементы тяжелее водорода, а потом начать обрастать водородной оболочкой. Когда водорода стало очень много, он начал под действием высокого давления переходить в металлическую форму. Таким образом ядро постепенно оказалось закрыто непроницаемым панцирем. После этого приток вещества извне уже не должен был приводить к росту ядра, и, следовательно, оно оставалось бы сравнительно небольшим.
Однако гравитационные наблюдения Juno указали на то, что масса юпитерианского ядра в десятки раз больше массы Земли. Кроме того, они рассказали о том, что элементы тяжелее водорода должны присутствовать в слое, который простирается от ядра до половины радиуса планеты. С точки зрения прошлых моделей это очень большое расстояние.
Авторы нового исследования рассмотрели несколько объяснений этого факта (например, что в растущей планете плотное ядро размывалось при перемешивании с окружающим его слоем металлического водорода) и указали, что все они основаны на достаточно большом числе допущений. Так, никто пока не знает, насколько хорошо материал «каменного» ядра будет смешиваться с металлическим водородом, свойства которого в лабораториях до сих пор напрямую не изучались. Ни один пресс не может создать давление, соответствующее ядру Юпитера, и поэтому уверенно описать эволюцию газового гиганта тоже затруднительно.
Признав, что реконструировать прошлое газового гиганта сложно, ученые все-таки предложили сценарий, который мог бы объяснить наблюдаемые данные на основе уже имеющихся знаний. Они указали, что столкновение Юпитера с другой планетой, точнее растущим «зародышем» планеты, могло привести к формированию именно такого большого и размытого ядра. И хотя это не единственно возможное объяснение, исследователи отмечают, что у их гипотезы есть и одно неожиданное следствие, которое позволяет проверить ее на практике.
Астрономы указывают на то, что сегодня человечеству известно несколько тысяч экзопланет, включая и те, что расположены в формирующихся планетных системах. Если столкновения газовых гигантов с другими планетами — это не очень редкие события, их можно будет увидеть, пусть не по сопутствующей вспышке, но благодаря облаку пыли, которое образуется впоследствии. Эта пыль и затмевает свет звезды, и активно излучает в инфракрасном диапазоне. Причем это излучение должно через некоторое время исчезнуть — за счет остывания выброшенного материала.
Космический аппарат Juno («Юнона») был запущен в 2011 году. С июля 2016 года он находится на орбите крупнейшей планеты Солнечной системы. Специалисты NASA рассчитывают вести наблюдения с помощью этой автоматической станции до 2021 года. После этого аппарат направят в атмосферу Юпитера. Хотя в результате Juno сгорит, это не даст станции столкнуться со спутниками планеты после того, как откажет ее бортовая электроника и закончатся запасы топлива для маневров. На борту аппарата установлены как приборы для изучения магнитосферы, так и специальный инструмент, призванный возможно более точно картировать гравитационное поле планеты.
Этот прибор называется Gravity Science, он обменивается с наземной обсерваторией радиосигналами (на Земле для этого используется 34-метровая параболическая антенна). Поскольку «Юнона» движется, характеристики сигнала изменяются за счет эффекта Доплера: при удалении от Земли частота падает, а при приближении, напротив, растет. Точно измерив частоту сигнала как на борту «Юноны», так и на Земле, физики могут вычислить скорость аппарата. А это, в свою очередь, укажет на места гравитационных аномалий — мест, где спутник притягивает к планете, или где он, напротив, поднимается несколько выше из-за ослабшего гравитационного поля.
Алексей Тимошенко