Международная группа ученых во главе с Томом Брианом из Университета Экс-Марсель пришла к выводу, что Уран и Нептун, которые обычно считают планетами-близнецами, вероятно, образовались или эволюционировали разными путями. Исследователи оценили, сколько кислорода и углерода содержится в глубоких слоях их атмосфер, и обнаружили заметную разницу между планетами. Работа опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.
Исследователи отмечают, что Уран и Нептун остаются наименее изученными планетами Солнечной системы. Каждую из них лишь однажды посетил аппарат «Вояджер-2»: в 1986 и 1989 году соответственно. Из-за огромного расстояния и низких температур телескопы видят только верхние слои их атмосфер, а состав планет в глубине остается практически неизвестным. Между тем это важно не только для понимания истории Солнечной системы, ведь планеты похожего размера составляют значительную часть всех известных экзопланет.
Чтобы заглянуть в недра планет, ученые использовали угарный газ. Он образуется глубоко в атмосфере, где очень жарко и где его количество напрямую связано с количеством воды. Восходящие потоки выносят газ наверх, там он остывает и перестает вступать в реакции, сохраняя «образец» глубинного состава. Измерив угарный газ в верхних слоях, в том числе по данным радиотелескопа ALMA, исследователи с помощью компьютерной модели рассчитали, сколько кислорода должно быть внизу. В отличие от прежних работ, модель учитывала, что температура, количество метана и интенсивность перемешивания атмосферы меняются от экватора к полюсам.
Расчеты показали, что в глубинах Урана кислорода в 62–177 раз больше, чем было в протосолнечном веществе, из которого сформировалась Солнечная система, а в недрах Нептуна — в 222–342 раза больше. Таким образом, Уран заметно беднее кислородом, чем Нептун. Главным фактором, от которого зависит результат, оказалась скорость вертикального перемешивания атмосферы. Из-за быстрого вращения планет оно ослабевает ближе к полюсам, поэтому, по мнению авторов, точнее всего реальный состав отражают значения на экваторе. Неточности в описании химических реакций влияют на итог гораздо меньше — примерно на 10%.
Затем ученые сравнили количество кислорода с количеством углерода, которого в недрах обеих планет тоже в десятки раз больше, чем в протосолнечном веществе. На Уране на одну частицу кислорода приходится от 0,06 до 0,52 частицы углерода, на Нептуне — от 0,02 до 0,12. У Урана верхняя граница этого соотношения близка к той, что была в протосолнечном веществе, и в целом согласуется с тем, что планета могла сформироваться примерно на нынешней орбите. Нептун же беднее углеродом относительно кислорода, и так его состав объяснить не удается. По версии авторов, «строительный материал» для него образовался ближе к Солнцу, в районе, где замерзала вода, а углерод оставался в газообразном состоянии. Значит, Нептун, скорее всего, сформировался не там, где находится сейчас, а позже мигрировал на задворки Солнечной системы.
Окончательно проверить выводы смогут только прямые измерения. Авторы считают, что их работа поможет выбрать место входа в атмосферу зонда будущей миссии Uranus Orbiter and Probe, и советуют направить его ближе к экватору Урана, где атмосфера перемешивается лучше всего.
