Что внутри газовых планет
Газовые планеты
Газовые планеты
Газовые планеты (планеты-гиганты, газовые гиганты) — планеты, имеющие значительную долю газа в своём составе (в основном водорода и гелия). В Солнечной системе это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самой большой известной газовой планетой является TrES-4b. Согласно гипотезе происхождения Солнечной системы, планеты-гиганты образовались позже, чем планеты земной группы, когда температура околосолнечной туманности упала настолько, что стали кристаллизоваться различные газы. К этому времени большая часть тугоплавких веществ (окислы, силикаты, металлы) уже выпали из газовой фазы, и из них образовались внутренние планеты (от Меркурия до Марса).
Период вращения газовых планет вокруг своей оси достаточно невелик — 9—17 часов.
Гипотезы о внутреннем строении газовых планет предполагают наличие нескольких слоёв. На определённой глубине давление в атмосферах газовых планет достигает высоких значений, достаточных для перехода водорода в жидкое состояние. Если планета достаточно велика, то ещё ниже может размещаться слой металлического водорода (напоминающего жидкий металл, где протоны и электроны существуют раздельно), электротоки в котором порождают мощное магнитное поле планеты. Предполагается, что газовые планеты имеют также относительно небольшое каменное или металлическое ядро.
Как показали измерения спускаемого аппарата «Галилео», давление и температура быстро растут уже в верхних слоях газовых планет. На глубине 130 км в атмосфере Юпитера температура составила около 420 Кельвин (145 градусов Цельсия), давление — 24 атмосферы. Все газовые планеты Солнечной системы излучают больше тепла, чем получают от Солнца. Вероятно, причина заключается в их постепенном сжатии, но некоторые учёные считают, что в недрах гигантских планет идут реакции термоядерного синтеза.
В атмосферах газовых планет дуют мощные ветры со скоростями до тысяч километров в час. Имеются постоянные атмосферные образования, представляющие собой гигантские вихри. Например, Большое красное пятно (размером в несколько раз больше Земли) на Юпитере наблюдают уже более 300 лет. Имеется Большое тёмное пятно на Нептуне, более мелкие пятна на Сатурне.
Для всех газовых планет Солнечной системы отношение суммарной массы их спутников к массе планеты составляет около 0,01 %. Для объяснения этого факта разработаны модели формирования спутников из газо-пылевых дисков с большим количеством газа (при этом действует механизм, ограничивающий рост спутников).
Газовыми могут являться лишь крупные планеты, так как небольшие небесные тела не способны удержать такой лёгкий газ, как водород.
Большинство обнаруженных экстрасолнечных планет столь велики, что предположительно являются газовыми. На одной из них (обращающейся очень близко от звезды) удалось обнаружить разогретую атмосферу.
Есть ли твёрдая поверхность у газовых-гигантов?
Имеют ли газовые планеты твёрдую поверхность и что вообще происходит внутри этих планет?
Планеты Солнечной системы и само Солнце образовались из одного огромного газопылевого облака, но химический состав планет разительно отличается. Некоторые планеты нашей системы образовались в основном из тяжёлых элементов, они имеют высокую плотность и твёрдую поверхность, другие же планеты образовались из газа и льда. Раз они состоят из газа, то имеют ли тогда твёрдую поверхность? Давайте разберёмся вместе.
Планеты-гиганты разделяют на несколько классов, но мы рассмотрим только те из них, которые есть в солнечной системе. Один из них это класс газовых гигантов, к нему относятся планеты Юпитер и Сатурн.
Они в отличие от планет земной группы имеют очень малую среднюю плотность. Они состоят преимущественно из водорода и гелия, а их внутренняя структура исследована крайне плохо. Юпитер и Сатурн настолько велики, что водород и гелий в их центрах чрезвычайно сжимаются колоссальным давлением, некоторые теоретические модели предсказывают давление в ядре этих планет больше чем 100 000 000 бар.
Под огромным давлением внутри газовых гигантов знакомые нам на Земле материалы могут приобретать странные формы. При спуске на несколько тысяч километров ниже видимых облаков Юпитера и Сатурна давление становится настолько большим, что водород переходит из газообразного состояния в жидкое и образует океан, причём переход в жидкость является достаточно плавным. При спуске глубже, жидкий водород ещё больше сжимается и на определённой глубине начинает переходить в твёрдое или как его называют металлизированное состояние, в котором он имеет свойства схожие с обычными металлами. Поскольку этот переход тоже является плавным (очень густой жидкий водород мало отличается от металлизированного механическими свойствами), то твёрдой поверхности газовые гиганты не имеют, равно как и чёткой жидкой поверхности.
Каждая газовая планета имеет ядро, образованное из более тяжёлых элементов, эти ядра являются горно-ледниковыми телами, что образовались ещё перед захватом газа из окружающей туманности и образованием планеты. Ядра находятся под давлением в десятки миллионов баров, они состоят преимущественно из углерода, железа, азота, кремния и кислорода в сочетании с водородом.
Юпитер ещё интересен тем, что излучает больше энергии, чем получает от Солнца. Это тепло обусловлено радиоактивным распадом и энергией, высвобождающейся в результате оседания тяжёлых элементов на ядро.
Другой, не менее интересный класс планет-гигантов это ледяные гиганты. К ним относятся Уран и Нептун, которые серьёзно отличаются по своему составу и внутреннему строению от Юпитера и Сатурна.
Уран и Нептун состоят из некоторого количества водорода и гелия, но они также содержат более тяжёлые элементы, такие как кислород, углерод, азот и сера. Большая часть массы Урана и Нептуна находится в их ядрах. Ядра ледяных гигантов относительно их размеров больше, чем у газовых гигантов, а в их внутреннем строении отсутствует огромная прослойка металлизированного водорода, что проиллюстрировано на рисунке ниже.
Вот почему Уран и Нептун называют ледяными великанами. Терминология «ледяного гиганта» закрепилась в 1990-х годах, когда исследователи поняли, что Уран и Нептун композиционно отличаются от Юпитера и Сатурна.
В отличие от планет земной группы, планеты-гиганты не имеют твёрдой поверхности, они в основном состоят из различных газов, которые на разных «слоях» находятся в разных состояниях. В самом центре находится ядро, состоящее из горных пород и льда, которые находятся под огромным давлением.
Газовые гиганты
Внешние планеты в нашей системе: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Пропорции размеров соблюдены
Планеты в нашей Солнечной системе делят на внутренние и внешние. Те, что расположены ближе к звезде, именуют планетами земного типа. Они наполнены силикатными минералами и металлом. Но за чертой астероидного пояса проживают их оппоненты – газовые гиганты.
Всего их четверо, и они также обладают своими отличиями. С запуском зондов нам удалось изучить их получше и узнать много интересной информации.
Определение газовых гигантов
Газовым гигантом называют планету, представленную водородом и гелием. Впервые наименование использовал Джеймс Блиш в 1952 году. Он был писателем-фантастом и этот термин не совсем соответствует реальности, потому что элементы в газовых гигантах на глубине трансформируются в жидкое или твердое состояние.
Газовые гиганты
У газовых гигантов наблюдается меньшая концентрация металла и силикатов в ядрах. Но этот термин прочно закрепился и сейчас используется как официальный. Параллельно появилось название «ледяные гиганты» для Урана и Нептуна, которые обладают большим количеством летучих веществ.
Классификация газовых гигантов
Существует 5 разновидностей, базирующихся на схеме Дэвида Сударки.
Основные факты о газовых гигантах
Юпитер стоит на первой позиции по размерам среди гигантов в Солнечной системе. Его радиус практически в 11 раз превышает земной. Он обладает 79-ю спутниками. Планета состоит изо льда и горной породы. Большая часть массы представлена жидким металлическим водородом, из-за чего формируется масштабное магнитное поле. Юпитер настолько огромен, что его можно отыскать на небе ночью без использования телескопов. Атмосферный слой наполнен аммиаком, водородом, гелием и метаном.
Строение газовых гигантов
Сатурн в 9 раз крупнее земного радиуса и отличается восхитительной кольцевой системой. Обладает 62 спутниками. Планета наполнена водородом и гелием, окружающих плотное ядро. По атмосфере схоже с Юпитером.
Осевой наклон газовых гигантов
Нептун также по радиусу крупнее Земли в 4 раза и похож по атмосферному составу с Ураном. Рядом с ним вращаются 14 спутников. Планету обнаружили в 1846 году.
Формирование и общие черты газовых гигантов
Полагают, что с самого начала гиганты появились в виде скалистых и ледяных планет, напоминающих земной тип. Но размер ядра был огромен, что позволило притягивать больше водорода и гелия из газового облака до того, как сформировалась звезда.
Уран и Нептун расположены дальше, поэтому им было сложнее накапливать материал. Это привело к тому, что они уступают по размеру первым гигантам. Их атмосферы также сильнее загрязнены тяжелыми элементами, вроде метана и аммиака.
Ученым удалось отыскать тысячи экзопланет, среди которых огромная часть являются горячими юпитерами. Это газовые гиганты, расположенные крайне близко к своим звездам. Полагают, что изначально они образуются дальше, но потом приближаются.
Гиганты формируют вокруг себя масштабные лунные семьи. Многие появляются вместе с планетами, а другие притягиваются гравитацией. Обычно все вращаются в одной направленности с планетами. Но Тритон у Нептуна следует в противоположную сторону. Это намек на то, что он является захваченным объектом.
Текущие исследования газовых гигантов
Каждая планета наделена сложным атмосферным слоем и серией масштабных бурь. К примеру, уже 4 века на Юпитере бушует Большое Красное Пятно, которое сейчас сокращается в размерах. Мы нуждаемся в более длительных обзорах, чтобы выяснить точный характер погодных формирований.
На Сатурне сейчас завершилась миссия Кассини, а Юнона изучает Юпитер. Исследователи также настроены на поиск сейсмических волн, напоминающих земные особенности при землетрясениях.
Экзопланеты и газовые гиганты
Исследование чужих миров показало огромное количество газовых гигантов, превосходящих Юпитер во много раз. Некоторые практически достигали статуса звезды. Но они расположены крайне далеко от нас, поэтому сложно определить точное альбедо и спектры.
Большая часть гигантов представлена супер-юпитерами, потому что их просто легче отыскать. Такие объекты делятся на холодные и горячие юпитеры. Первые обогащены водородом и в 1.6 раз массивнее Юпитера.
Горячие юпитеры наделены огромным количеством водорода. Если газовые гиганты вырастают в 13-80 раз больше Юпитера, то становятся коричневыми карликами. Такие тела крупнее любой планеты, но им все равно не хватает массы для активации ядерного слияния в ядре, и они не могут стать полноценными звездами.
Коричневый карлик Т-типа
Газовые гиганты разнообразные и сложные по своей природе. В Солнечной системе проживают всего 4 таких планеты, но они предлагают богатое поле для исследований. К тому же выступают еще одним пазлом в понимании формирования нашей системы.
Супер-Земли
Среди экзопланет удалось отыскать множество супер-земель (по размеру между Землей и Нептуном). Эту разновидность не встретить на территории нашей Солнечной системы, поэтому пока еще не ясно, выглядят они скорее как гиганты или земной тип.
Сейчас научный мир ожидает запуска телескопа Джеймс Уэбб, который обещает увеличить силу поиска и откроет нам космические глубины.
Газовые гиганты: факты о внешних планетах
Газовые гиганты нашей Солнечной системы — это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти четыре большие планеты находятся во внешней части Солнечной системы после орбиты Марса и пояса астероидов. Юпитер и Сатурн значительно больше, чем Уран и Нептун. И каждая пара планет имеет несколько разный состав.
В нашей планетной системе есть только четыре большие планеты. Однако астрономы обнаружили тысячи подобных тел за ее пределами. В частности, используя космический телескоп NASA «Kepler». Эти экзопланеты (так их называют) изучаются в том числе и для того, чтобы узнать больше о формировании Солнечной системы.
Основные факты
Юпитер — самая большая планета в Солнечной системе. Она имеет радиус, почти в 11 раз превышающий размер Земли. По данным НАСА, у планеты есть 50 известных спутников. И еще 17 ожидают подтверждения. Планета в основном состоит из водорода и гелия, окружающих плотное ядро, состоящее из горных пород и льда. Большая часть массы Юпитера, скорее всего, состоит из жидкого металлического водорода. Который создает мощное магнитное поле. Юпитер в ночном небе виден невооруженным глазом. И был известен древним людям. Атмосфера планеты состоит в основном из водорода, гелия, аммиака и метана.
Сатурн примерно в девять раз больше Земли по радиусу. Он интересен, в основном, наличием вокруг планеты больших колец. Как они сформировались пока неизвестно. По данным НАСА, у планеты 53 известных спутника. И еще девять ожидает подтверждения. Подобно Юпитеру, Сатурн в основном состоит из водорода и гелия, которые окружают его плотное ядро. Планета тоже была известна древними культурам. Атмосфера гиганта похожа на атмосферу Юпитера.
Уран имеет радиус примерно в четыре раза больший, чем у Земли. Это единственная планета, вращающаяся как бы лежа на боку. И к тому же делает это она в противоположном направлении относительно других планет Солнечной системы. Кроме Венеры. Считается, что такое вращение возникло в результате столкновения Урана с другим огромным телом во времена формирования Солнечной системы. По данным НАСА у планеты 27 спутников. Ее атмосфера состоит из водорода, гелия и метана. Уран открыл Уильям Гершель в 1781 году.
У Нептуна радиус примерно в четыре раза больший, чем у Земли. Как и у Урана, его атмосфера в основном состоит из водорода, гелия и метана. По данным НАСА у Нептуна есть 13 подтвержденных спутника. И еще один ожидает подтверждения. Нептун был открыт несколькими астрономами одновременно в 1846 году.
Супер-Земли
Ученые нашли множество «суперземель» (планет размером между размерами Земли и Нептуна) в других планетных системах. В нашей Солнечной системе нет известных «суперземель». Хотя некоторые ученые предполагают, что в наружной области Солнечной системы может существовать «Планета Девять». Ученые изучают эту категорию планет, чтобы узнать, являются ли такие объекты более похожими на маленькие газовые планеты или большие тела, но земного типа.
Как формируются газовые гиганты?
Астрономы считают, что газовые гиганты сначала сформировались как скалистые и ледяные миры, похожие на планеты земного типа. Однако более крупный, чем у Земли, размер позволил этим планетам (в частности, Юпитеру и Сатурну) захватывать водород и гелий из газового облака, из которого формировалось Солнце. Это произошло до того, как оно вобрало в себя большую часть газа.
Ученые обнаружили уже тысячи экзопланет. Многие из них — это «горячие Юпитеры». Это гигантские газовые объекты, которые расположены очень близко к своим родительским звездам. (Скалистые миры все же более многочисленны во Вселенной, согласно оценкам «Кеплера»). Ученые предполагают, что крупные планеты могут перемещаться назад и вперед по своим орбитам, прежде чем остаться в какой-то постоянной конфигурации. Но то как именно, и на какую величину они могут перемещаться, все еще остается предметом дебатов.
У планет-гигантов есть десятки спутников. Многие формируются одновременно с родительскими планетами. Это подтверждается тем, что планеты вращаются в том же направлении, что и их спутники. Например, так вращаются огромные спутники Юпитера Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Но есть и исключения.
Один из спутников Нептуна, Тритон, вращается вокруг планеты в направлении, противоположном направлению вращению Нептуна. Это позволяет предположить, что Тритон был захвачен возможно когда-то более плотной атмосферой Нептуна, когда пролетал мимо. Есть еще много крошечных спутников в Солнечной системе, которые вращаются далеко от экватора своих планет. Это означает, что они также были захвачены сильным гравитационным притяжением.
Текущие исследования
Юпитер
Космический аппарат НАСА «Юнона» прибыл к планете в 2016 году. И уже сделал несколько открытий. Он изучал кольца планеты, что очень трудоемко. Поскольку они намного более тонкие, чем у Сатурна. АМС «Юнона» обнаружила, что частицы, отвечающие за полярные сияния Юпитера, отличаются от подобных частиц на Земле. Это открытие дало понимание некоторых загадок атмосферы Юпитера. Например, существование снега, исходящего из высотных облаков. Ученые, использующие космический телескоп «Хаббл», также подробно изучают Большое Красное пятно Юпитера. Они наблюдают за его динамикой и интенсивностью меняющихся цветов.
Сатурн
Космический аппарат «Кассини» работал более 13 лет, изучая систему Сатурна. До 2017 года. Данные, полученные «Кассини», все еще обрабатываются и анализируются учеными. В последние месяцы работы миссия изучала гравитационные и магнитные поля Сатурна, смотрела на кольца под другими углами, чем раньше. А также преднамеренно погружалась в атмосферу.
Уран
Бури на Уране являются популярными объектами изучения как для профессиональных ученых, так и для астрономов-любителей. Они следят за тем, как бури эволюционируют и изменяются с течением времени. Ученые также заинтересованы в изучении структуры колец Урана. И получении данных о том, из чего состоит его атмосфера. Уран может также иметь несколько троянских астероидов (астероидов на той же орбите, что и планета). Первый из них был обнаружен в 2013 году.
Нептун
Буря на Нептуне также является популярной целью наблюдения. И в 2018 году эти работы снова принесли свои плоды. Работа космического телескопа «Хаббл» показала, что в настоящее время шторм утихает. Исследователи отметили, что буря рассеивается иначе, чем ожидалось в результате моделирования. Это означает, что наше понимание атмосферы Нептуна по-прежнему требует уточнения.
Экзопланеты
Многие наземные телескопы ищут экзопланеты. Есть также несколько активных космических миссий, выполняющих исследования экзопланет, включая «Кеплер», «Хаббл» и «Спитцер».
В будущем планируется запуск новых миссий, целью которых будет поиск экзопланет.
Газовые планеты Солнечной системы
Газовые планеты Солнечной системы удивительны, они практически полностью состоят из различных газов. Многие астрономы считают, что внутри таких объектов присутствует твердое ядро. В нашей системе находятся 4 таких гиганта.
Общие характеристики
Газовые планеты Солнечной системы обладают рядом сходных характеристик:
Юпитер
Крупнейший и наиболее детально изученный небесный объект Солнечной системы. Юпитер обладает мощнейшим магнитным полем, из-за которого на планете постоянно дуют сильные ветра. Вследствие быстрой скорости вращения день там длится 10 часов.
Сатурн
Сатурн — это вторая по размерам планета, которая также совершает 10-часовой поворот вокруг собственно оси. А продолжительность года составляет 29 лет. Он отличается наличием множества колец, состоящих твердых пород. Также встречаются ледяные образования и частицы пыли. Размеры таких объектов варьируются от нескольких миллиметров до сотен метров.
Сатурн характеризуется малой плотностью (вода плотнее). Здесь постоянно дуют сильные ветра.
Нептун
Нептун находится на значительном удалении от Солнца, поэтому информация о нем получена на основании астрономических расчетов. Гигант облетает наше светило за 165 лет. У Нептуна очень нестабильная атмосфера, поэтому в районе экватора планета обращается вокруг оси за 18 часов, а на полюсах — за 12. В центре гиганта располагается ядро, температура которого достигает 7 тысячи градусов.
Газовые планеты Солнечной системы ещё очень мало изучены и человеку ещё только предстоит сделать ряд интересных и удивительных открытий.