Chemia atmosfer Urana i Neptuna ujawnia istotne rozbieżności
Zespół badaczy reprezentujących m.in. Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Southwest Research Institute, Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, Dublin Institute for Advanced Studies oraz Space Science Institute przeanalizował głębokie partie atmosfer obu planet. Uzyskane wyniki wskazują, że Neptun może zawierać znacznie więcej tlenu niż Uran. Taka rozbieżność sugeruje, że planety mogły ukształtować się w różnych częściach młodego Układu Słonecznego, a dopiero później znaleźć się na orbitach, po których poruszają się obecnie. Ustalenia te stawiają pod znakiem zapytania założenie, że oba światy mają wspólną historię powstania. Wyniki badań przedstawiono na łamach czasopisma „Astronomy & Astrophysics”.
Wiedza na temat Urana i Neptuna wciąż pozostaje ograniczona. Jedyną sondą, która dotarła w ich okolice, był Voyager 2, przelatujący obok Urana w 1986 roku i Neptuna w 1989 roku. Poznanie początków tych planet ma znaczenie dla badań nad powstawaniem światów poza Układem Słonecznym. Obiekty o rozmiarach zbliżonych do Urana i Neptuna stanowią bowiem ponad połowę z około 6 tys. znanych egzoplanet.
Tlenek węgla pozwolił zbadać niedostępne partie atmosfer
Odtworzenie początków obu planet wymagało poznania składu chemicznego obszarów znajdujących się głęboko pod widocznymi warstwami chmur. Bezpośrednie badanie tych rejonów było utrudnione przez liczne, zachodzące na siebie warstwy atmosferyczne. Naukowcy postanowili więc wykorzystać substancje umożliwiające pośrednie określenie ich właściwości. Jedną z nich był tlenek węgla (CO), obecny lub powstający w głębszych partiach atmosfery. Związek ten mógł następnie przemieszczać się ku górze, przechodząc przez kolejne warstwy i docierając do obszarów dostępnych obserwacjom. Określenie jego stężenia umożliwiło zatem uzyskanie informacji o rejonach położonych pod pokrywą chmur.
Badacze zestawili wyniki najnowszych obserwacji tlenku węgla, prowadzonych między innymi przy użyciu interferometru ALMA, z modelami komputerowymi reakcji chemicznych oraz przemieszczania się substancji w atmosferach. Na tej podstawie wyznaczyli stosunek zawartości węgla do tlenu (C/O) w głębokich warstwach obu planet. Wartość tego parametru może dostarczyć informacji o chemicznym składzie materiału, z którego powstały Uran i Neptun.
Wcześniejsze analizy również wskazywały na większą zawartość tlenu na Neptunie niż na Uranie. Gdy w obliczeniach uwzględniono także ilość węgla, okazało się, że wartość stosunku C/O jest niższa dla Neptuna. Zakresy możliwych wartości tego parametru dla obu planet częściowo się jednak pokrywały. Według autorów badania zaobserwowane różnice trudno byłoby pogodzić z założeniem, że Uran i Neptun powstały w zbliżonym obszarze dysku gazu i pyłu wokół młodego Słońca, z materiału o jednakowym składzie.
Różne scenariusze powstania lodowych olbrzymów
Zestawienie uzyskanych rezultatów z modelem opisującym przemiany chemiczne zachodzące we wczesnym Układzie Słonecznym pozwoliło wskazać możliwe miejsca narodzin obu planet. Uran mógł powstać daleko od Słońca, w rejonie położonym niedaleko swojej obecnej orbity. Neptun mógł natomiast uformować się bliżej gwiazdy, gdzie materiał tworzący planety był bogatszy w tlen, a następnie przemieścić się na dzisiejszą orbitę. Nadal nie udało się jednak ustalić dokładnego przebiegu formowania się obu światów ani ich wędrówki we wczesnym Układzie Słonecznym.
Przedstawione wyniki nie wystarczają do jednoznacznego ustalenia, w jaki sposób powstały Uran i Neptun. Naukowcy wciąż nie znają dokładnie mechanizmów przemieszczania się materii pomiędzy poszczególnymi poziomami głębokich warstw ich atmosfer. Przyszłe obserwacje mogą pomóc precyzyjniej określić skład chemiczny tych obszarów oraz sprawdzić, które z proponowanych scenariuszy są zgodne z danymi. Dodatkowych informacji mogłaby dostarczyć misja kosmiczna skoncentrowana na badaniu lodowych olbrzymów.
Mariusz Drzewiecki
