Ледяной гигант - Википедия - Ice giant

Эта статья о типе планеты. Для использования в других целях см. Ледяной гигант (значения).
Уран сфотографирован Вояджер 2 в январе 1986 г.
Нептун сфотографирован Вояджер 2 в августе 1989 г.

An ледяной гигант это гигантская планета состоит в основном из элементов тяжелее водород и гелий, Такие как кислород, углерод, азот, и сера. Есть два ледяных гиганта в Солнечная система: Уран и Нептун.

В астрофизика и планетология термин «льды» относится к летучим химическим соединениям с температурами замерзания выше примерно 100K, Такие как воды, аммиак, или же метан, с температурами замерзания 273 К, 195 К и 91 К соответственно (см. Летучие вещества ). В 1990-х годах было осознано, что Уран и Нептун представляют собой отдельный класс планет-гигантов, отдельный от других планет-гигантов. Юпитер и Сатурн. Они стали известны как ледяные гиганты. Составляющие их соединения были твердыми телами, когда они были в основном включены в планеты во время их формирования либо непосредственно в форме льда, либо в ловушке водяного льда. Сегодня очень мало воды на Уране и Нептуне остается в форме льда. Вместо этого вода в основном существует как сверхкритическая жидкость при температурах и давлениях внутри них.[1] Уран и Нептун состоят только из 20% водорода и гелия по массе по сравнению с Солнечной системой. газовые гиганты, Юпитер и Сатурн, которые на 90% состоят из водорода и гелия по массе.

Терминология

В 1952 году писатель-фантаст Джеймс Блиш ввел термин газовый гигант[2] и он использовался для обозначения крупных не-планеты земной группы из Солнечная система. Однако с конца 1940-х гг.[3] составы Уран и Нептун были признаны значительно отличными от Юпитер и Сатурн. Они в основном состоят из элементов тяжелее, чем водород и гелий, составляя отдельный вид гигантская планета все вместе. Поскольку во время своего формирования Уран и Нептун включали свой материал в виде льда или газа, заключенного в водяной лед, термин ледяной гигант вошел в обиход.[1][3] В начале 1970-х годов эта терминология стала популярной в научном фантастическом сообществе, например, Bova (1971),[4] но самое раннее научное использование терминологии, вероятно, было у Данна и Берджесса (1978)[5] в отчете НАСА.[6]

Формирование

Моделирование формирования земной и газовые гиганты относительно прост и бесспорный. Планеты земной группы Солнечная система широко считается, что они образовались в результате столкновительного накопления планетезимали в пределах протопланетный диск. В газовые гиганты —Юпитер, Сатурн, и их внесолнечные планеты-двойники, как полагают, образовали твердые ядра массой около 10 масс Земли (M⊕) с помощью того же процесса, а срастание газообразные оболочки из окружающей среды солнечная туманность в течение от нескольких до нескольких миллионов лет (Ма ),[7][8] хотя альтернативные модели формирования ядра на основе насыпь гальки были недавно предложены.[9] Вместо этого некоторые внесолнечные планеты-гиганты могли образоваться из-за нестабильности гравитационного диска.[8][10]

Формирование Уран и Нептун через аналогичный процесс аккреции ядра гораздо более проблематичен. В скорость убегания для малых протопланет около 20 астрономические единицы (AU) из центра Солнечной системы было бы сопоставимо с их относительные скорости. Такие тела, пересекающие орбиты Сатурна или Юпитера, должны были быть отправлены на гиперболические траектории выбрасывая их из системы. Такие тела, будучи подметал газовыми гигантами, вероятно, просто аккрецировались на более крупные планеты или были выброшены на кометные орбиты.[10]

Несмотря на проблемы с моделированием их образования, многие кандидаты в ледяные гиганты наблюдались на орбите других звезд с 2004 года. Это указывает на то, что они могут быть обычным явлением в Млечный Путь.[1]

Миграция

Принимая во внимание орбитальные проблемы, с которыми столкнутся протопланеты, находящиеся на расстоянии 20 а.е. или более от центра Солнечной системы, простое решение состоит в том, что ледяные гиганты сформировались между орбитами Юпитера и Сатурна до того, как гравитационно рассеянный к их теперь более далеким орбитам.[10]

Нестабильность диска

Гравитационная нестабильность протопланетного диска может также привести к появлению нескольких протопланет газовых гигантов на расстояниях до 30 а.е. Области немного более высокой плотности в диске могут привести к образованию сгустков, которые в конечном итоге схлопываются до планетарных плотностей.[10] Диск даже с минимальной гравитационной нестабильностью может дать протопланеты от 10 до 30 а.е. за тысячу лет (тыс. Лет назад). Это намного короче, чем 100 000–1 000 000 лет, необходимых для образования протопланет за счет аккреции ядра облака, и может сделать его жизнеспособным даже в самых короткоживущих дисках, которые существуют всего несколько миллионов лет.[10]

Проблема с этой моделью заключается в том, чтобы определить, что поддерживало стабильность диска до возникновения нестабильности. Существует несколько возможных механизмов возникновения гравитационной нестабильности во время эволюции диска. Близкое столкновение с другой протозвездой может создать гравитационный толчок для стабильного диска. Магнитно развивающийся диск, вероятно, будет иметь магнитные мертвые зоны из-за различных степени ионизации, где масса, перемещаемая магнитными силами, могла накапливаться, в конечном итоге становясь незначительно гравитационно нестабильной. Протопланетный диск может просто медленно срастаться с веществом, вызывая относительно короткие периоды маргинальной гравитационной нестабильности и всплески скопления массы, за которыми следуют периоды, когда поверхностная плотность падает ниже того, что требуется для поддержания нестабильности.[10]

Фотоиспарение

Наблюдения за фотоиспарение из протопланетные диски в Скопление трапеций Ориона к крайний ультрафиолет (EUV) излучение, испускаемое θ1 Орионис С предполагает другой возможный механизм образования ледяных гигантов. Несколько-Юпитер-масса Протопланеты-газовые гиганты могли быстро сформироваться из-за нестабильности диска, прежде чем большая часть их водородных оболочек была сорвана интенсивным EUV-излучением ближайшей массивной звезды.[10]

в Туманность Киля, EUV потоки примерно в 100 раз выше, чем в Трапеции Туманность Ориона. Протопланетные диски присутствуют в обеих туманностях. Более высокие потоки EUV делают это еще более вероятным для образования ледяных гигантов. Более сильный EUV увеличит удаление газовых оболочек с протопланет, прежде чем они смогут схлопнуться в достаточной степени, чтобы противостоять дальнейшей потере.[10]

Характеристики

Эти визитки иллюстрируют внутренние модели планет-гигантов. В планетарные ядра газовых гигантов Юпитер и Сатурн покрыты глубоким слоем металлический водород, а мантии ледяных гигантов Уран и Нептун состоят из более тяжелых элементов.

Ледяные гиганты представляют собой одну из двух принципиально разных категорий планеты-гиганты присутствует в Солнечная система, другая группа более знакомая газовые гиганты, в составе которых более 90% водород и гелий (по массе). Считается, что их водород распространяется вплоть до их небольших скалистых ядер, где молекулярный ион водорода переходы к металлический водород под экстремальным давлением сотен гигапаскали (ГПа).[1]

Ледяные гиганты в основном состоят из более тяжелых элементы. На основе изобилие элементов во вселенной, кислород, углерод, азот, и сера скорее всего. Хотя у ледяных гигантов тоже есть водородные оболочки, они намного меньше. На их долю приходится менее 20% их массы. Их водород также никогда не достигает глубины, необходимой для создания металлического водорода под давлением.[1] Эти оболочки, тем не менее, ограничивают возможность наблюдения за внутренностями ледяных гигантов и, следовательно, информации об их составе и эволюции.[1]

Хотя Уран и Нептун называют ледяными планетами-гигантами, считается, что существует сверхкритический водный океан под их облаками, что составляет около двух третей их общей массы.[11][12]

Атмосфера и погода

Внешние газовые слои ледяных гигантов во многом похожи на слои газовых гигантов. К ним относятся долгоживущие высокоскоростные экваториальные ветры, полярные вихри, крупномасштабные схемы циркуляции и сложные химические процессы которую вел ультрафиолетовая радиация сверху и смешивая с нижней атмосферой.[1]

Изучение атмосферного рисунка ледяных гигантов также дает представление о физика атмосферы. Их композиции продвигают разные химические процессы и они получают гораздо меньше солнечного света на своих далеких орбитах, чем любые другие планеты Солнечной системы (что увеличивает влияние внутреннего нагрева на погодные условия).[1]

Самая большая видимая деталь на Нептун это повторяющийся Большое темное пятно. Он образуется и рассеивается каждые несколько лет, в отличие от аналогичного размера. Большое красное пятно из Юпитер, который сохраняется веками. Из всех известных планет-гигантов в Солнечной системе Нептун излучает больше всего внутреннего тепла на единицу поглощенного солнечного света в соотношении примерно 2,6. Сатурн, следующий по величине эмиттер, имеет коэффициент только около 1,8. Уран излучает наименьшее количество тепла, в десять раз меньше, чем Нептун. Есть подозрение, что это может быть связано с его крайними значениями 98˚. осевой наклон. Это приводит к тому, что его сезонные модели сильно отличаются от таковых на любой другой планете Солнечной системы.[1]

Еще нет полных модели объясняя особенности атмосферы, наблюдаемые у ледяных гигантов.[1] Понимание этих особенностей поможет выяснить, как в целом функционируют атмосферы планет-гигантов.[1] Следовательно, такие идеи могут помочь ученым лучше предсказать структуру атмосферы и поведение гигантских экзопланеты обнаружили, что они очень близки к своим звездам-хозяевам (пегасианские планеты ) и экзопланеты с массой и радиусом между планетами-гигантами и планетами земной группы, обнаруженными в Солнечной системе.[1]

Интерьер

Из-за их больших размеров и низкой теплопроводности давление внутри планет достигает нескольких сотен ГПа, а температуры - нескольких тысяч. кельвины (К).[13]

В марте 2012 года было обнаружено, что сжимаемость воды, используемая в моделях ледяных гигантов, может быть на треть меньше.[14] Это значение важно для моделирования ледяных гигантов и оказывает волновое влияние на их понимание.[14]

Магнитные поля

Магнитные поля Урана и Нептуна необычно смещены и наклонены.[15] Их напряженность поля является промежуточной между полем газовых гигантов и планет земной группы, в 50 и 25 раз больше, чем у Земли, соответственно. Напряженность экваториального магнитного поля Урана и Нептуна составляет соответственно 75 процентов и 45 процентов от земных 0,305 гаусс.[15] Считается, что их магнитные поля возникают в ионизированной конвекционной мантии из жидкого льда.[15]

Посещение космического корабля

Прошлое

Предложения

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Хофштадтер, Марк (2011), «Атмосферы ледяных гигантов, Урана и Нептуна», Белая книга для Десятилетний обзор планетарной науки, Национальный исследовательский совет США, стр. 1–2, получено 18 января 2015
  2. ^ Научно-фантастические цитаты, Цитаты для газового гиганта n.
  3. ^ а б Марк Марли, «Не ледяное сердце», Планетарное общество, 2 апреля 2019. читать
  4. ^ Бова Б. 1971, Множество миров научной фантастики (Бостон, Массачусетс: Э. П. Даттон)
  5. ^ Джеймс А. Данн и Эрик Берджесс, Путешествие Mariner 10: Миссия на Венеру и Меркурий, Отдел научно-технической информации, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, 1978 г., 224 стр., Стр. 2. читать
  6. ^ Молавердихани, Каран (2019). «От холодных к горячим облученным газообразным экзопланетам: к схеме классификации на основе наблюдений». Астрофизический журнал. 873 (1): 32. arXiv:1809.09629. Bibcode:2019ApJ ... 873 ... 32M. Дои:10.3847 / 1538-4357 / aafda8.
  7. ^ Lissauer, J. J .; Hubickyj, O .; D'Angelo, G .; Боденхаймер, П. (2009). «Модели роста Юпитера с учетом тепловых и гидродинамических ограничений». Икар. 199 (2): 338–350. arXiv:0810.5186. Bibcode:2009Icar..199..338L. Дои:10.1016 / j.icarus.2008.10.004.
  8. ^ а б Д'Анджело, Дженнаро; Дурисен, Ричард Х .; Лиссауэр, Джек Дж. (Декабрь 2010 г.). «Формирование планеты-гиганта». В Сигере, Сара (ред.). Экзопланеты. Университет Аризоны Press. С. 319–346. arXiv:1006.5486. Bibcode:2010exop.book..319D. ISBN  978-0-8165-2945-2.
  9. ^ Левисон, Гарольд Ф .; Кретке, Кэтрин А .; Дункан, Мартин Дж. (2015). «Выращивание планет газовых гигантов за счет постепенного накопления гальки». Природа. 524: 322–324. arXiv:1510.02094. Bibcode:2015Натура.524..322л. Дои:10.1038 / природа14675. PMID  26289203.
  10. ^ а б c d е ж грамм час я Босс, Алан П. (декабрь 2003 г.). «Быстрое образование внешних планет-гигантов из-за дисковой нестабильности». Астрофизический журнал. 599 (1): 577–581. Bibcode:2003ApJ ... 599..577B. Дои:10.1086/379163., §1–2
  11. ^ НАСА завершило исследование концепций будущих миссий «ледяных гигантов». НАСА ТВ. 20 июня 2017.
  12. ^ [https://www.lpi.usra.edu/icegiants/mission_study/IceGiants_EGUPresentation_2017_04_24.pdf О ледяных гигантах. (PDF) Резюме пред-декадного исследования. НАСА. Представлено в Европейском геофизическом союзе 24 апреля 2017 г.
  13. ^ а б Неллис, Уильям (февраль 2012 г.). «Точка зрения: увидеть изнутри ледяных гигантских планет». Физика. 5 (25). Bibcode:2012PhyOJ ... 5 ... 25N. Дои:10.1103 / Физика.5.25.
  14. ^ а б "Полный архив пресс-релиза по астробиологии, эксклюзивные новости, сводки новостей".
  15. ^ а б c «Природа и происхождение магнитных полей».
  16. ^ Кристоф, Бруно; Spilker, L.J .; Андерсон, Дж. Д .; André, N .; Asmar, S.W .; Aurnou, J .; Banfield, D .; Barucci, A .; Bertolami, O .; Bingham, R .; Браун, P; Cecconi, B .; Courty, J.-M .; Dittus, H .; Fletcher, L.N .; Foulon, B .; Francisco, F .; Gil, P.J.S .; Glassmeier, K. H .; Гранди, В .; Hansen, C .; Helbert, J .; Helled, R .; Hussmann, H .; Lamine, B .; Lämmerzahl, C .; Lamy, L .; Lehoucq, R .; Ленуар, Б .; Леви, А .; Ортон, G .; Páramos, J .; Понси, Дж .; Постберг, Ф .; Прогребенко, С. В .; Reh, K. R .; Reynaud, S .; Роберт, С .; Samain, E .; Саур, Дж; Саянаги, К. М .; Schmitz, N .; Selig, H .; Sohl, F .; Spilker, T. R .; Srama, R .; Стефан, К .; Touboul, P .; Вольф, П. (8 июля 2012 г.). "OSS (Внешняя Солнечная система): фундаментальная и планетарная физическая миссия к Нептуну, Тритону и поясу Койпера" (PDF). Экспериментальная астрономия. Springer. 34 (2): 203–242. arXiv:1106.0132. Bibcode:2012ExA .... 34..203C. Дои:10.1007 / s10686-012-9309-у - через Лабораторию моделирования интерьеров планет Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

внешняя ссылка