Na zewnątrz błękit, w środku magma. Uran i Neptun zaskakują

Uran i Neptun nie pasują ani do skalistych planet pokroju Ziemi czy Marsa, ani do gazowych gigantów jak Jowisz i Saturn. Właśnie dlatego przyjęło się mówić o nich lodowe olbrzymy. Chodzi o to, że według klasycznych modeli ich wnętrza mają być pełne tzw. lodów planetarnych: wody, metanu i amoniaku. Tyle że w astronomii lód to niekoniecznie coś, co przypomina śnieg czy kostki z zamrażarki. To raczej zbiorcza nazwa dla związków, które w zimnych rejonach Układu Słonecznego mogły się skraplać i budować planety.

Wyobrażaliśmy to sobie do tej pory dość prosto: na zewnątrz rozległa atmosfera wodoru i helu z domieszką metanu, pod nią gruby płaszcz pełen lodów, a jeszcze głębiej skaliste jądro. Taki obraz dobrze pasował do nazwy i przez lata był wygodnym punktem odniesienia.

Nowa praca proponuje jednak inną możliwość. Jej autorzy opisują ją w preprincie dostępnym w serwisie arXiv pod tym linkiem. Twierdzą, że znane właściwości Urana i Neptuna można wyjaśnić modelem, w którym pod warstwą zdominowaną przez wodór znajduje się superkrytyczny ocean magmy. To nie jest zwykła magma znana z ziemskich wulkanów. Chodzi o ekstremalnie gorącą, gęstą mieszaninę materiału skalnego, żelaza i wodoru.

Słowo magma bardzo łatwo podsuwa niewłaściwe skojarzenia. To nie jest tak, że pod błękitną atmosferą Urana i Neptuna chlupie czerwony ocean lawy jak z filmu katastroficznego. Warunki w ich wnętrzach są tak ekstremalne, że trudno je w ogóle porównać z czymkolwiek, co znamy z ziemskich wulkanów.

W proponowanym modelu wodór może rozpuszczać się w stopionym materiale skalnym. Powstaje dobrze wymieszany, superkrytyczny płyn, czyli taki, w którym pod wpływem ogromnej temperatury i ciśnienia zaciera się klasyczna granica między cieczą a gazem. To nie jest ani ocean w ziemskim sensie, ani atmosfera w naszym rozumieniu, ani płynąca lawa z wulkanu. To niecodzienna z naszej perspektywy materia planetarna.

Taki model mógłby wyjaśnić, dlaczego Uran i Neptun mają takie masy, promienie, gęstości, jasności wewnętrzne i skład atmosfery. Autorzy sugerują, że wcale nie musimy zakładać ogromnego, dominującego płaszcza lodowego, żeby odtworzyć obserwowane właściwości obu planet.

Najbardziej zdumiewające jest to, że o Uranie i Neptunie wciąż wiemy bardzo mało. Obie planety odwiedziła tylko jedna sonda: Voyager 2. Przeleciał obok Urana w 1986 r., a obok Neptuna w 1989 r. Od tamtej pory nie mieliśmy ani orbitera, ani lądownika, ani próbnika atmosferycznego. Wszystko, co wiemy, składamy z krótkich przelotów, obserwacji teleskopowych, modeli fizycznych i eksperymentów laboratoryjnych próbujących odtworzyć warunki z głębi planet.

Pisaliśmy o tym w tekście: Odwiedziliśmy je tylko raz, bo są piekielnie daleko. Dlaczego Uran i Neptun się różnią? Uran i Neptun są bliskimi kuzynami, ale nie bliźniakami. Mają podobne rozmiary i masy, lecz różnią się kolorem, aktywnością atmosferyczną, emisją ciepła i szczegółami pola magnetycznego. To są planety, które wyglądają podobnie tylko na zdjęciach.

Termin lodowe olbrzymy pełni raczej funkcję bardziej klasyfikacyjną, porządkującą strukturę Układu Słonecznego, nie dostarcza jednak wglądu w rzeczywistą fizykę wnętrz Urana i Neptuna. Pod grubą pokrywą chmur, tysiące kilometrów w głąb, materia przyjmuje stany i zachowania, które wymykają się potocznym skojarzeniom z lodem.

Uran i Neptun są niewygodne dla astronomów z kilku powodów. Po pierwsze, ich pola magnetyczne są dziwne. Nie przypominają prostych, osiowych dipoli znanych z podręcznikowego obrazu pola Ziemi. Są silnie nachylone i przesunięte względem środków planet. To sugeruje, że dynamo magnetyczne może działać w nietypowych warstwach wnętrza, a nie głęboko w centrum.

Po drugie, planety różnią się emisją ciepła. Neptun oddaje w przestrzeń znacznie więcej energii wewnętrznej niż Uran, choć obie planety są podobnego typu. Uran wygląda pod tym względem podejrzanie spokojnie. To od dekad rodzi pytanie, czy jego wnętrze jest inaczej ułożone, bardziej warstwowe, czy może przeszło dawny gigantyczny kataklizm, który zmienił jego ewolucję.

Po trzecie, sama gęstość nie rozstrzyga sprawy tak łatwo, jak mogłoby się wydawać. Mieszanina skał z wodorem i helem może w pewnych warunkach dawać podobny efekt gęstościowy jak mieszanina bogata w wodę i inne lotne związki. Innymi słowy, planeta może wyglądać na lodową w prostym modelu, ale przy innym założeniu składu i mieszania materiałów daje się ją opisać bardziej skalisto-magmatycznie.

Autorzy pracy próbują pokazać, że Uran i Neptun mogą być zbudowane inaczej niż zakładaliśmy: z atmosfery bogatej w wodór, przejściowej warstwy granicznej oraz głębokiego oceanu magmy zawierającego krzemiany, żelazo i wodór. W takim scenariuszu lodowy płaszcz nie jest już głównym bohaterem.

To niezwykle odważne, bo uderza w nazwę, którą przez lata traktowaliśmy jak oczywistość. Jednocześnie nie jest to zupełnie oderwane od wcześniejszych wątpliwości. Już inne modele sugerowały, że Uran i Neptun mogą być bardziej skaliste, niż nam się wydawało. Uniwersytet w Zurychu pokazywał niedawno, że obecne dane nie pozwalają jednoznacznie przesądzić, czy te planety są naprawdę bogate w wodę, czy raczej w skały.

Nowa koncepcja to już nie jest tylko ostrożne stwierdzenie, że może jest tam trochę więcej skał. To raczej sugestia, że pod chmurami kryje się coś zupełnie innego: ogromne, rozgrzane do granic możliwości oceany magmy, w których miesza się wodór i materiał skalny. Brzmi to trochę tak, jakby ktoś chciał przemianować lodowe olbrzymy na coś znacznie gorętszego.

Największy problem z takimi odkryciami jest tak naprawdę dość przyziemny. Po prostu brakuje nam słów, które naprawdę oddałyby to, co tam się dzieje. Lodowy olbrzym od razu przywołuje obraz zimnej, zamarzniętej planety, a świat z oceanem magmy brzmi jak coś wyjętego z piekielnej wizji. Oba te określenia są jednak tylko skrótami myślowymi, które bardziej upraszczają niż tłumaczą.

Uran i Neptun są zimne z zewnątrz, bo krążą bardzo daleko od Słońca. Ich zewnętrzne warstwy mają błękitny kolor m.in. przez metan w atmosferze, który pochłania czerwone światło i przepuszcza niebieskie. Jednak głęboko pod chmurami mogą panować temperatury tysięcy stopni i ciśnienia miliony razy większe niż na powierzchni Ziemi. Tam lód, gaz, ciecz i skała przestają znaczyć dokładnie to samo, co na co dzień.

Przeczytaj także:

Model nie mówi, że Uran i Neptun nagle przestały być zimnymi planetami na obrzeżach Układu Słonecznego. Mówi raczej, że słowo lodowe mogło ukrywać dużo bardziej zadziwiającą rzeczywistość. Z zewnątrz błękit. W środku materia, której nie da się łatwo porównać z niczym, co znamy z powierzchni naszej planety.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI