Co se skrývá pod nevýrazným povrchem Uranu a Neptunu?

Vrstvy vody a uhlovodíků, které se podobně jako ropa a voda nemíchají, mohou vysvětlit neobvyklá magnetická pole těchto planet. Podle nové teorie se pod hustou atmosférou Uranu a Neptunu nachází vrstva bohatá na vodu, která se oddělila od hlubší vrstvy horkého vysokotlakého uhlíku, dusíku a vodíku. Tlak uvolňuje vodík z molekul metanu a amoniaku a vytváří vrstevnaté uhlovodíkové vrstvy, které se nemohou mísit s vrstvou vody, což brání konvekci, která vytváří dipolární magnetické pole.

Diamantový déšť? Superiontová voda?
To jsou jen dva návrhy, s nimiž planetární vědci přišli, co se skrývá pod hustou, namodralou, vodíkovo-heliovou atmosférou Uranu a Neptunu, jedinečných, ale na první pohled nevýrazných ledových obrů Sluneční soustavy.

Planetolog z Kalifornské univerzity v Berkeley nyní navrhuje alternativní teorii – že vnitřek obou těchto planet je rozvrstvený a že se obě vrstvy, podobně jako olej a voda, nemíchají. Tato konfigurace elegantně vysvětluje neobvyklá magnetická pole planet Uran a Neptun a naznačuje, že dřívější teorie o jejich nitrech zřejmě nejsou pravdivé.

Burkhard Militzer ve svém článku, který vyšel v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences, tvrdí, že těsně pod vrstvami mraků se nachází hluboký oceán vody a pod ním vysoce stlačená tekutina z uhlíku, dusíku a vodíku. Počítačové simulace ukazují, že při teplotách a tlacích v nitru planet by se kombinace vody (H2O), metanu (CH3) a čpavku (NH3) přirozeně rozdělila na dvě vrstvy, především proto, že z metanu a čpavku, které tvoří většinu hlubokého nitra, by byl vyloučen vodík.

Tyto nemísitelné vrstvy by vysvětlovaly, proč Uran ani Neptun nemají magnetické pole jako Země. To byl jeden z překvapivých objevů o ledových obrech Sluneční soustavy, který učinila sonda Voyager 2 na konci 80. let minulého století.

„Nyní máme, řekl bych, dobrou teorii, proč mají Uran a Neptun opravdu odlišná magnetická pole, a to velmi odlišná od Země, Jupiteru a Saturnu,“ řekl Militzer, profesor věd o Zemi a planetách na Kalifornské univerzitě v Berkeley. „Dříve jsme to nevěděli. Je to jako olej a voda, až na to, že olej klesá níže, protože se ztrácí vodík.“

Pokud mají i jiné hvězdné systémy podobné složení jako ten náš, mohli by mít ledoví obři kolem těchto hvězd podobnou vnitřní strukturu, řekl Militzer. Planety o velikosti Uranu a Neptunu – tzv. subneptunské planety – patří mezi nejčastěji objevované exoplanety.

Konvekce vede k magnetickým polím
Když se planeta ochlazuje od svého povrchu směrem dolů, chladný a hustší materiál klesá, zatímco kapky horké tekutiny stoupají jako vroucí voda – tento proces se nazývá konvekce. Pokud je nitro planety elektricky vodivé, vytvoří silná vrstva konvekčního materiálu dipólové magnetické pole podobné magnetickému poli tyčového magnetu. Dipólové pole Země, které je vytvářeno jejím tekutým vnějším železným jádrem, vytváří magnetické pole, které v podobě smyček sahají od severního k jižnímu pólu a je důvodem, proč kompasy ukazují směrem k pólům.

Voyager 2 však zjistil, že ani jeden z obou ledových obrů nemá takové dipólové pole, pouze neuspořádané magnetické pole. To znamená, že v hlubokém nitru planet nedochází ke konvektivnímu pohybu materiálu v silné vrstvě.

Pro vysvětlení těchto pozorování navrhly dvě různé výzkumné skupiny před více než 20 lety, že planety musí mít vrstvy, které se nemohou promíchávat, což brání rozsáhlé konvekci a globálnímu dipólovému magnetickému poli. Konvekce v jedné z vrstev by však mohla vyvolat neuspořádané magnetické pole. Ani jedna ze skupin však nedokázala vysvětlit, z čeho se tyto nemísící se vrstvy skládají.

Schéma vnitřní struktury Uranu zobrazuje čtyři odlišné vrstvy: vodík (světle modrá), voda (tmavě modrá), uhlovodíky (červená) a kamenné jádro (žlutá). Uran má neuspořádané magnetické pole, které pochází z vodní vrstvy. Na obrázku je také vidět extrémní sklon osy Uranu vzhledem k jeho oběžné dráze a jeden ze slabých hmotných prstenců, které planetu obklopují.

Před deseti lety se Militzer opakovaně pokoušel tento problém vyřešit pomocí počítačových simulací asi 100 atomů s poměrem uhlíku, kyslíku, dusíku a vodíku, který odrážel známé složení prvků v rané Sluneční soustavě. Při předpokládaných tlacích a teplotách v nitru planet – 3,4milionkrát vyšší než atmosférický tlak na Zemi, respektive 4 480 °C – se mu nepodařilo najít způsob, jak by se vrstvy mohly vytvořit.

V loňském roce se mu však s pomocí strojového učení podařilo spustit počítačový model simulující chování 540 atomů a ke svému překvapení zjistil, že při zahřívání a stlačování atomů se přirozeně tvoří vrstvy.

„Jednoho dne jsem se na model podíval a zjistil jsem, že se voda oddělila od uhlíku a dusíku. To, co jsem před deseti lety nedokázal, se nyní dělo,“ řekl Burkhard Militzer. „Pomyslel jsem si: Páni! Teď už vím, proč se vrstvy tvoří: Jedna je bohatá na vodu a druhá na uhlík, a v případě Uranu a Neptunu je to systém bohatý na uhlík, který je níže. Těžká část zůstává dole a lehčí část nahoře a nemůže se konvektivně pohybovat.“

Množství vyloučeného vodíku se zvyšuje s tlakem a hloubkou, čímž se vytváří stabilně rozvrstvená vrstva uhlíku, dusíku a vodíku, téměř jako plastický polymer, řekl Militzer. Zatímco horní vrstva bohatá na vodu pravděpodobně konvekcí vytváří pozorované neuspořádané magnetické pole, hlubší stratifikovaná vrstva bohatá na uhlovodíky nemůže.

Když modeloval gravitaci vytvářenou vrstevnatým Uranem a Neptunem, gravitační pole se shodovala s gravitačními poli naměřenými sondou Voyager 2 před téměř 40 lety.

„Když se zeptáte mých kolegů co si myslí, že vysvětluje pole Uranu a Neptunu?, možná řeknou: No, možná je to ten diamantový déšť, ale možná je to vlastnost vody, kterou nazýváme superiontová,“ řekl Militzer. „Z mého pohledu to není pravděpodobné. Ale pokud máme toto rozdělení na dvě samostatné vrstvy, mělo by to vysvětlovat.“

Modely vnitřních struktur ledových obrů Uranu a Neptunu mají dvě odlišné vrstvy: horní konvektivní vrstvu bohatou na vodu, kde se vytvářejí neuspořádaná magnetická pole, a spodní nekonvektivní vrstvu bohatou na uhlovodíky. Nové počítačové simulace ukazují, že ledové materiály se při vysokém tlaku a teplotě přirozeně oddělují do těchto dvou vrstev.

Militzer předpovídá, že pod atmosférou Uranu o tloušťce 4 800 km se nachází vrstva bohatá na vodu o tloušťce asi 8 000 km a pod ní vrstva bohatá na uhlovodíky o tloušťce rovněž asi 8 000 km. Jeho skalnaté jádro je velké asi jako planeta Merkur. Ačkoliv je Neptun hmotnější než Uran, má menší průměr, řidší atmosféru, ale podobně tlusté vrstvy bohaté na vodu a uhlovodíky. Jeho kamenné jádro je o něco větší než jádro Uranu, přibližně o velikosti Marsu.

Militzer doufá, že se mu podaří spolupracovat s kolegy, kteří budou moci pomocí laboratorních experimentů za extrémně vysokých teplot a tlaků ověřit, zda se v kapalinách tvoří vrstvy s takovým poměrem prvků, jaký je v protosolárním systému. Potvrzení by mohla přinést i navrhovaná mise NASA k Uranu, pokud bude mít sonda na palubě Dopplerovu zobrazovací jednotku pro měření vibrací planety. Vrstevnatá planeta by vibrovala na jiných frekvencích než konvektivní planeta, řekl Militzer. Jeho dalším projektem je použít svůj model k výpočtu, jak by se vibrace planety lišily.

Zdroj: https://news.berkeley.edu/2024/11/25/a-clue-to-what-lies-beneath-the-bland-surfaces-of-uranus-and-neptune/

autor: František Martinek