Около пяти миллиардов лет назад гигантские газообразные планеты Юпитер и Сатурн образовались, по-видимому, радикально по-разному.
Так говорит ученый из Лос-Аламосской национальной лаборатории Калифорнийского университета, который создал исчерпывающие компьютерные модели, основанные на экспериментах, в которых водородный элемент подвергался воздействию давления, почти такого же, как давление, обнаруженное на двух планетах.
Работая с французским коллегой, Дидье Сомон из отдела прикладной физики Лос-Аламоса создал модели, устанавливающие, что тяжелые элементы сконцентрированы в массивном ядре Сатурна, в то время как те же самые элементы смешаны по всему Юпитеру с очень небольшим центральным ядром или вообще не имеют его вообще. Исследование, опубликованное в Astrophysical Journal на этой неделе, показало, что тугоплавкие элементы, такие как железо, кремний, углерод, азот и кислород, сосредоточены в ядре Сатурна, но рассеиваются в Юпитере, что приводит к гипотезе о том, что они образовались в результате различных процессов.
Сомон собрал данные нескольких недавних экспериментов по ударному сжатию, которые показали, как водород ведет себя при давлениях, в миллион раз превышающих атмосферное давление, приближаясь к тем, которые присутствуют в газовых гигантах. Эти эксперименты, проведенные за последние несколько лет в национальных лабораториях США и в России, впервые позволили провести точные измерения так называемого уравнения состояния простых жидкостей, таких как водород, в условиях высокого давления и высокой плотности. область, где ионизация происходит для дейтерия, изотоп, состоящий из атома водорода с дополнительным нейтроном.
Работая с Т. Гийо из Обсерватории Лазурного берега, Франция, Сомон разработал около 50 000 различных моделей внутренних структур двух гигантских газообразных планет, которые включали все возможные вариации, допускаемые астрофизическими наблюдениями и лабораторными экспериментами.
«Некоторые данные с более ранних планетарных исследований дали нам косвенную информацию о том, что происходит внутри Сатурна и Юпитера, и теперь мы надеемся узнать больше о миссии Кассини, которая только что прибыла на орбиту Сатурна», - сказал Сомон. «Мы выбрали только компьютерные модели, которые соответствуют планетарным наблюдениям».
Юпитер, Сатурн и другие планеты-гиганты состоят из газов, таких как солнце: они на 70 процентов состоят из водорода по массе, остальные - в основном гелий и небольшое количество более тяжелых элементов. Поэтому их внутренние структуры было трудно рассчитать, потому что уравнение состояния водорода при высоких давлениях не было хорошо понято.
Saumon и Guillot ограничили свои компьютерные модели данными из экспериментов с дейтерием, тем самым уменьшив прежние неопределенности для уравнения состояния водорода, которое является центральным компонентом, необходимым для улучшения моделей структур планет и того, как они образовались.
«Мы попытались включить все возможные вариации, которые могли бы допускать экспериментальные данные по ударному сжатию дейтерия», - пояснил Сомон.
Оценивая общее количество тяжелых элементов и их распределение внутри Юпитера и Сатурна, модели дают лучшую картину того, как планеты образовались в результате аккреции водорода, гелия и твердых элементов из туманности, которая вращалась вокруг Солнца миллиарды лет назад. ,
«Было общее согласие, что ядра Сатурна и Юпитера различны», - сказал Сомон. «Что нового здесь, так это то, насколько исчерпывающими являются эти модели. Нам удалось устранить или количественно оценить многие из неопределенностей, поэтому мы гораздо лучше уверены в диапазоне, в котором фактические данные будут попадать на водород и, следовательно, на тугоплавкие металлы и другие элементы.
«Хотя мы не можем сказать, что наши модели точные, мы прекрасно знаем, насколько они неточны», - добавил он.
Эти результаты моделей помогут направить измерения, которые будут проведены Кассини и будущими предлагаемыми межпланетными космическими зондами на Юпитер.
Лос-Аламосская национальная лаборатория находится в ведении Калифорнийского университета при Национальном управлении по ядерной безопасности (NNSA) Министерства энергетики США и работает в сотрудничестве с национальными лабораториями NNSA Sandia и Lawrence Livermore для поддержки NNSA в его миссии.
Лос-Аламос разрабатывает и применяет науку и технологии для обеспечения безопасности и надежности ядерного сдерживания США; уменьшить угрозу оружия массового уничтожения, распространения и терроризма; и решить национальные проблемы в области обороны, энергетики, окружающей среды и инфраструктуры.
Источник: Лос-Аламос
