Из чего состоят газовые гиганты?

Хотя мы не можем заглянуть внутрь этих планет, астрономы уверены, что внутренности Юпитера и Сатурна состоят в основном из водорода и гелия. Конечно, эти газы измерены только в их атмосфере, но расчеты, впервые проведенные более 50 лет назад, показали, что эти два легких газа являются единственно возможными материалами, из которых может быть построена планета с наблюдаемыми массами и плотностями Юпитера и Сатурна.

Глубокое внутреннее строение этих двух планет трудно предсказать. В основном потому, что эти планеты настолько велики, что водород и гелий в их центрах сильно сжимаются и ведут себя так, как эти газы никогда не могли бы вести себя на Земле. Лучшие теоретические модели строения Юпитера предсказывают центральное давление более 100 млн бар и центральную плотность около 31 г/см3. (Для сравнения, центральное давление в ядре Земли составляет 4 млн бар, а центральная плотность – 17 г/см3).

При таких давлениях внутри планет-гигантов привычные материалы могут принимать странные формы. На глубине нескольких тысяч километров под видимыми облаками Юпитера и Сатурна давление становится настолько большим, что водород переходит из газообразного состояния в жидкое. Еще глубже этот жидкий водород еще больше сжимается и начинает вести себя как металл, чего никогда не происходит на Земле. (В металле электроны не прикреплены прочно к родительскому ядру, а могут блуждать по нему. Именно поэтому металлы являются такими хорошими проводниками электричества). На Юпитере большую часть внутреннего пространства составляет жидкий металлический водород.

Поскольку Сатурн менее массивен, металлический водород в его недрах присутствует в небольшом объеме, но большая часть его недр – жидкая. Уран и Нептун слишком малы, чтобы достичь внутреннего давления, достаточного для сжижения водорода.

Каждая из этих планет имеет ядро, состоящее из более тяжелых материалов, что подтверждается детальным анализом их гравитационных полей. Предположительно, эти ядра представляют собой первоначальные каменно-ледяные тела, сформировавшиеся до захвата газа из окружающей туманности. Ядра существуют при давлениях в десятки миллионов бар. Хотя ученые говорят о том, что ядра планет-гигантов состоят из камня и льда, мы можем быть уверены, что при таких давлениях и температурах ни камень, ни лед не принимают привычных форм. Помните, что под словом “камень” в действительности понимается любой материал, состоящий в основном из железа, кремния и кислорода, а под термином “лед” в данной статье подразумеваются материалы, состоящие в основном из элементов углерода, азота и кислорода в сочетании с водородом.

На рисунке показано вероятное внутреннее строение четырех юпитерианских планет. По-видимому, все четыре планеты имеют схожие ядра из камня и льда. На Юпитере и Сатурне ядра составляют лишь несколько процентов от общей массы, что соответствует начальному составу сырья. Однако большая часть массы Урана и Нептуна приходится на эти ядра, что свидетельствует о том, что эти две внешние планеты не могли притянуть к себе огромные количества водорода и гелия при своем формировании.