Вчені показали, який вигляд має Сатурн зсередини

“Володар кілець” здається таким спокійним і безтурботним, проте, якщо підібратися до нього на ближчу відстань, як це зробила автоматична міжпланетна станція NASA “Кассіні”, то буде зрозуміло, що це перше враження досить оманливе.

Як заглядають усередину планет?

Щоб дізнатися, що знаходиться всередині планети, не обов’язково бурити шахти та свердловини або пірнати в бездонні надра газових гігантів. Вчені використовують різні методи або їх комбінації для цих цілей, і для дослідження “нутрощів” цієї планети астрофізики скористалися головною пам’яткою Сатурна – його кільцями.

Фото Сатурна від “Кассіні”, НАСА

Сама система Сатурна – це складна структура, незмінною господаркою якої є гравітація. Планета, кільця та її 82 місяці знаходяться між собою в ідеальному балансі. Рівновага кілець утримується переважно самим Сатурном, та й тут не обійшлося без його “вірних підданих” – крихітних супутників-пастухів, які допомагають кільцям не розпадатися і знаходяться прямо всередині них:

Кільця та супутники

Супутник Сатурна Пан, фото “Кассіні”, НАСА

Дослідження гравітаційного поля планет неодноразово використовувалося, щоб отримати інформацію про їхню внутрішню будову. Воно неоднорідне, як і сама густина планети – про це говорить те, що тяжіння в різних точках планети дещо відрізняється. Як це працює? Наприклад, спільна супутникова місія NASA та Німецького центру авіації та космонавтики, спрямована на вивчення гравітаційного поля Землі, GRACEі двох апаратів на орбіті Землі, відстань між якими становить 220 км.

Обидва апарати постійно обмінюються мікрохвильовими сигналами, а оскільки вони знаходяться над різними ділянками Землі, на них діють різні сили тяжіння, які ми й взагалі не відчуємо, а ось радари супутників їх одразу фіксують: відстань між супутниками трохи змінюється, що й реєструє мікрохвильова система. На основі даних GRACE вчені побудували гравітаційну модель, де видно неоднорідність гравітаційного поля Землі:

Карта GRACE

Надра Сатурна

З Сатурном ж справа цікавіша і складніша, тому що в нього немає твердої поверхні, і тому атмосфера його дуже динамічна, і розподіл повітряних потоків неоднорідно і постійно змінюється. Швидкість вітру тут становить 1800 км/год, і Сатурн у цьому показнику поступається тільки Нептуну, де дмуть найшвидші вітри в Сонячній системі – 2400 км/год. Сама планета дуже швидко обертається навколо своєї осі, завдяки чому доба на Сатурні триває лише 10 годин 34 хвилини, тому планета плеската біля полюсів.

Сатурн, що постійно змінюється, зміг вивчити апарат “Кассіні”, який працював на його орбіті з 2004 по 2017 рік. Станція виявила особливі коливання у внутрішніх кільцях Сатурна, що послужили як сейсмографи – прилади, які і показують те, що відбувається з планетою всередині.

Фінал “Кассіні”

Проаналізувавши частоту коливань кілець, астрономи зробили висновок, що ядро ​​газової планети не тверде, як вважалося раніше: Сатурн не має характерних і чітко виділених областей – чим глибше занурення всередину, тим більше буде тиск і температура. У міру наближення до центру Сатурна поступово підвищується вміст спресованого тиском льоду та каменю, тобто ядро ​​начебто “розчинене” і при обертанні планети його коливання нагадують хвилі, які створюють коливання в кільцях. Виявилося, що саме ядро ​​планети величезне – воно може становити до 60% радіусу планети, і маса серця Сатурна становить приблизно 55 земних. Сам же “розчин” ядра складається з розплавлених металів та силікатних порід.

Якщо дійсно ядро ​​виглядає як стислий “розчин”, то вченим доведеться переглядати версію про формування газових гігантів, оскільки раніше передбачалося, що спочатку формувалося тверде ядро, яке потім накопичувало газ із протопланетного диска. Якщо ж ядра газових гігантів справді “розчинені”, ці об’єкти формувалися завдяки нестабільності протопланетного диска, і самі газові гіганти утворюються як зірки.

Аміачна буря, фото “Кассіні”, НАСА

Над “розчиненим” ядром вище знаходиться шар металевого водню. Він являє собою вироджений стан речовини і може мати деякі специфічні властивості – високотемпературну надпровідність і високу питому теплоту фазового переходу. Водень настільки стиснутий тиском верхніх шарів планети, що нагадує собою рідкий метал, звідси й назва. Такий незвичайний стан речовини ще називають четвертим агрегатним станом. Температура ядра Сатурна становить близько 11700 С. Звідки ж така висока температура?

Вона формується через величезну кількість водню та гелію, який у міру занурення у надра планети стискається та розігріває ядро. Завдяки гравітаційному стиску, планета фактично породжує тепло, виділяючи в 2,5 рази більше енергії, ніж отримує від Сонця.

Вихори Сатурна у поданні художника

Але давайте вибиратися з надр “Володаря кілець” і подивимося, що буде у верхній частині планети. В основному Сатурн складається з водню (73%) і гелію (24%), а частка, що залишилася, припадає на незначну кількість води, метану, аміаку і важких елементів. Як ми вже казали, спокійна зовнішність Сатурна оманлива, і він “буйніше” навіть, ніж Юпітер. Якщо придивитися, то Сатурн теж має смуги хмар в атмосфері, але вони блідо-оранжеві або брудно-жовті і не впадають у вічі. Такі відтінки обумовлені сполуками сірки у його атмосфері. Крім сірки, у верхніх шарах атмосфери, є невеликі кількості азоту і кисню. Ці атоми вступають у реакції один з одним і під впливом сонячного світла утворюють складні молекули, що нагадують смог.

Фото хмар від “Кассіні”

Між смуг формуються гігантські білі водно-аміачні бурі, але, на відміну від Юпітера, де вихори стабільно утримуються протягом десятків і навіть сотень років, на Сатурні завдяки вітрам, що потужніші, ніж у “Короля Сонячної системи”, вони довго не живуть: лише кілька місяців, і від потужного урагану не залишиться і сліду – грізний шторм “упокорить” атмосфера і переродить у нове аналогічне втілення.

На цій фотографії “Кассіні” добре видно смуги в атмосфері

Аміачні хмари видимої частини атмосфери розташовуються на 100 км нижче верхньої частини тропосфери (тропопаузи), де температура становить близько – 139 С. Якщо спуститися ще на 170 км всередину, то хмари будуть складатися з гідросульфіду амонію, а внаслідок збільшення щільності і тиску температура підніметься до -70 С. Глибокі хмари складаються з води і розташовані приблизно на глибині 400 км, і температура вже підніметься до 0 С. Якщо ми знову захочемо проникнути до ядра, то температура зростатиме, а тиск хмар досягне неймовірної сили.

Жоден апарат не витримає температуру в 11 тисяч градусів і такий колосальний тиск, тому до ядра навряд чи хтось дістанеться, та й що там ядро: спробуй, впорайся з такими потужними вітрами зовні! Награються, як з піщинкою, потягнуть вниз, і тиск подбає про те, щоб дослідницький зонд став з грізною планетою одним цілим.