Ученые наконец-то дали объяснение странному магнитному полю Урана

Фото из открытых источников

Предполагаемые магнитные поля Урана и Нептуна могут быть следствием экстремальных условий в их недрах. Разгадка тайны магнитных полей этих миров открывает нам новые перспективы в изучении малоизвестных внутренних структур ледяных гигантов. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Communications Physics.

Только один космический аппарат когда-либо посещал Уран и Нептун — «Вояджер-2», который совершил путешествие мимо Урана в январе 1986 года и Нептуна в августе 1989 года. «Вояджер-2» обнаружил, что магнитные поля этих планет, если говорить прямо, были нестабильными. Магнитное поле Урана было смещено относительно оси вращения на 59 градусов и даже не центрировано на ядре планеты, а находится лишь на двух третях его глубины. Нептун похож на него: его неупорядоченное магнитное поле смещено на 47 градусов и центрировано посередине между ядром и видимыми верхними слоями облаков.

Если сравнить эти планеты с Землей, у которой стабильное магнитное поле, наклоненное всего на 11 градусов относительно вращения нашей планеты, мы можем увидеть, насколько экстремальны магнитные поля ледяных гигантов.

За прошедшие годы было предложено множество объяснений странных магнитных полей ледяных гигантов. Уран в целом наклонен на 97 градусов и фактически вращается вокруг Солнца, и предполагается, что миллиарды лет назад он был наклонен набок в результате столкновения с давно потерянной планетой размером с Землю. Могло ли это столкновение также исказить его магнитное поле?

Это могло бы быть правдоподобным объяснением, если бы магнитное поле Нептуна также не было так же искажено без столкновения. Очевидно, что какова бы ни была причина, она должна быть неотъемлемой частью природы двух ледяных гигантов. Теперь же новое исследование ученых из США и Великобритании, основанное на компьютерном моделировании и измерениях магнитных полей двух планет, проведенных аппаратом Voyager 2, возможно, нашло решение.

Разгадка странных магнитных полей ледяных гигантов Солнечной системы может заключаться в том, как планеты генерируют свое магнитное поле посредством динамо-эффекта. Это происходит из-за вихревого конвективного движения электропроводящей жидкости внутри вращающегося тела, которое способно генерировать и поддерживать мощное магнитное поле.

Внутри Земли электропроводящей жидкостью является расплавленное железо во внешней части ядра нашей планеты, и создаваемое им магнитное поле имеет четко выраженные северный и южный полюса — то, что мы называем диполем, явление, которое мы также можем наблюдать в двух магнитных полюсах простого стержневого магнита.

Однако условия внутри Урана и Нептуна несколько отличаются. Будучи ледяными гигантами, они содержат большое количество летучих веществ — аммиак, водород, гелий, метан и воду, окружающие, вероятно, каменистое ядро. Кроме того, Уран и Нептун значительно крупнее Земли, их масса в 14,5 и 17 раз превышает массу нашей планеты соответственно. Эта увеличенная масса создает сокрушительные условия внутри ледяных гигантов.

«В глубинах Урана и Нептуна давление и температура становятся чрезвычайно высокими», — заявил руководитель исследовательской группы Чи Ян из Техасского университета в Остине, возглавивший работу над новыми открытиями. «В таких условиях, которые могут привести к расщеплению молекул воды на ионы, материал может становиться все более электропроводным с глубиной».

Учитывая возрастающую электропроводность и состав двух планет, компьютерное моделирование позволило воспроизвести необычные магнитные поля Урана и Нептуна. Это показало, как структура магнитного поля эволюционирует параллельно с изменениями в движении жидкости, вызванными конвекцией, и температурой внутри планет.

Похоже, что эта коэволюция еще не завершилась. Моделирование показывает, что магнитные поля обеих планет могут довольно значительно измениться всего за несколько десятилетий.

«Наклон магнитного склона Земли изменяется всего на один градус или около того за 50 лет», — сказал Ян. «Наши модели показывают, что ледяные гиганты могут вести себя совершенно по-разному. На некоторых участках наклон изменяется на десятки градусов в течение десятилетий. На других — он изменяется лишь незначительно за тот же период».

НАСА определило в приоритете новую миссию по возвращению на Уран в начале 2040-х годов, в то время как миссия «Тяньвэнь-4» Китайского национального космического управления, запуск которой к Юпитеру запланирован на 2029 год, развернет небольшой зонд, который будет доставлен к Урану с помощью гравитационного маневра. До тех пор ученые разрабатывают креативные способы, позволяющие не полагаться только на измерения магнитных полей, проведенные 40-летним аппаратом «Вояджер-2».

Например, Том Сталлард из Университета Нортумбрии в Великобритании, соавтор новой исследовательской статьи вместе с Яном, руководил наблюдениями слабых инфракрасных полярных сияний на Уране и Нептуне с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Полярные сияния образуются, когда заряженные частицы солнечного ветра взаимодействуют с магнитным полем планеты, выталкивая часть этих заряженных частиц в атмосферу над магнитными полюсами. (У Нептуна на самом деле есть квадрупольная составляющая, которая размывает границы между его северным и южным магнитными полюсами.) Таким образом, местоположение полярных сияний является хорошим индикатором того, что происходит с магнитным полем планеты.

«Мы заняты изучением того, что содержится в этих наблюдениях, но форма и структура полярного сияния, а также другие необычные закономерности в ионосфере [верхней атмосфере], обещают дать нам возможность понять, как изменились магнитные поля, [что является] важным шагом вперед», — сказал Сталлард.

Есть надежда, что, объединив наблюдения полярного сияния, полученные телескопом JWST, с измерениями магнитного поля, проведенными аппаратом Voyager 2, и результатами компьютерного моделирования, станет возможным оценить конфигурацию магнитных полей Урана и Нептуна сегодня и сравнить ее с ситуацией 1980-х годов.

Это позволило бы провести экспериментальную проверку и показать, верна ли новая модель, описывающая магнитные поля, хотя мы не узнаем наверняка, пока новая миссия не прибудет в окрестности ледяных гигантов.