Nové simulace ukazují, že Uran a Neptun mohou být spíše skalnaté než ledové planety – a to by mohlo zásadně změnit náš pohled na vývoj planet, exoplanety i historii sluneční soustavy. Vědci tak volají po nové misi, která by odhalila jejich skutečnou povahu.
Ve vesmíru je toho ještě hodně k objevování, ale jedno víme již dlouho – jak vypadá naše Sluneční soustava. Nachází se v ní čtyři malé, kamenné planety, včetně Země, Merkuru, Venuše a Marsu. Hned na druhé straně najdeme dva plynné obry, které jsme pojmenovali Jupiter a Saturn, a o kousek dál další dva ledové obry známé jako Uran a Neptun. To je abeceda naší sluneční soustavy, a přesto není všechno tak, jak je, a ani naše okolí neznáme tak dobře, protože toto zařazení se možná brzy změní.
Když se nad tím zamyslíme, dává to smysl. V roce 2006 už Pluto nebylo považováno za planetu. To bylo téměř před dvaceti lety, ale toto období zdánlivého klidu neznamená, že se v budoucnu nemůže situace opět změnit. V případě Pluta byl problém jasný: jeho velikost, nepravidelný tvar a dráha plná trosek byly vlastnosti, které sdílelo s dlouhým seznamem malých těles v naší sluneční soustavě, která jsme nikdy nepovažovali za planety. Buď jsme jej „degradovali“, nebo jsme seznam rozšířili o desítky nových „planet“.
V tomto případě jsou Uran a Neptun plnohodnotnými planetami, nejde o to, že by se to mohlo změnit, jen jejich označení „mraziví obři“ by bylo pro astronomii ve skutečnosti významnější, než byl spor o Pluto.
Fenomén mrazivých obrů
Toto označení není žádný rozmar. Po desetiletí astronomové dělí velké planety na dvě velké rodiny: plynné obry (Jupiter a Saturn) a ledové obry (Uran a Neptun). Teoreticky se liší tím, co převládá v jejich nitru. U prvně jmenovaných tvoří většinu hmoty vodík a helium, tedy stejné základní složky jako u Slunce. U druhého z nich se předpokládalo, že většina hmoty je ve formě „ledu“: vody, čpavku a metanu ve zmrzlém nebo exotickém stavu, smíšených s trochou hornin.
Problémem je, že tato klasifikace byla vytvořena na základě velmi malého množství přímých údajů. Pouze jedna sonda prolétla v blízkosti Uranu a Neptunu: Voyager 2 v 80. letech 20. století, a to jen letmo, aniž by zůstala na oběžné dráze jako v případě Jupiteru nebo Saturnu. Od té doby většinu poznatků získáváme pozorováním jejich pohybu, hmotnosti, deformace vlivem gravitace Slunce a jejich měsíců a studiem jejich světla pomocí dalekohledů. Jinými slovy, mnoho mezer jsme zaplnili spíše teoretickými modely než přímými měřeními.
Tyto modely v kombinaci s hustotou obou planet (vyšší než u Jupiteru a Saturnu) vedly k myšlence, že Uran a Neptun mají relativně malé kamenné jádro obklopené obrovskou vrstvou „horkého“ ledu a nad ním atmosféru z vodíku a helia. Odtud název „ledoví obři“. Jedna věc je však rozumný model a druhá věc je jediný možný způsob vysvětlení dat.
Co víme
I když abychom byli přesní, nikdo nenavrhl (zatím) nic změnit. Výzkum, který publikovala skupina vědců z Curyšské univerzity, pouze naznačuje, že máme důvod pochybovat o tom, že jde o ledové obry, a že by mohli patřit do nové typologie – skalních obrů. Důvody jsou různé a mezi nimi se opět objevuje Pluto. Nedávno jsme zjistili, že tato trpasličí planeta je mnohem hornatější, než jsme si mysleli. Je tedy možné, že na těchto planetách nepřevažuje led (převážně voda), ale náznaky sahají i mimo případ Pluta.
Mise New Horizons, která nad Plutem prolétla v roce 2015, ukázala svět s horami vodního ledu, dusíkovými ledovci a překvapivě aktivním povrchem. Data však naznačují, že pod touto ledovou krustou je Pluto z velké části skalnaté těleso pokryté ledem, nikoliv blok ledu s trochou horniny uvnitř. To znamená, že i v ledových končinách sluneční soustavy může hornina převládat nad hmotou.
Pokud se tak děje u Pluta, proč ne u Uranu a Neptunu? A právě v tom spočívá nová práce.
„Klasifikace ledových obrů je příliš zjednodušená, protože Uran a Neptun jsou stále málo prozkoumány. Modely založené na fyzice byly příliš zatíženy předpoklady, zatímco empirické modely jsou příliš zjednodušeny. Zkombinovali jsme oba přístupy, abychom získali modely nitra, které jsou zároveň ‚agnostické‘ neboli nezaujaté, a přitom fyzikálně konzistentní. Jinými slovy, simulace, které pomáhají pochopit, jaké fyzikální vlastnosti by tyto planety musely mít, aby se chovaly tak, jak vidíme, že se chovají tam venku ve vesmíru. A zdá se, že mezi těmito simulacemi překvapivě dobře sedí i ty, které předpokládají skalnaté složení,“ vysvětluje Luca Morf, doktorand na univerzitě v Curychu a hlavní autor studie.
V praxi to vypadá tak, že vzali vše, co o těchto planetách víme (hmotnost, velikost, gravitaci, magnetická pole, vnitřní teplo…), a nechali počítač prozkoumat mnoho možných kombinací vnitřních vrstev: více hornin a méně ledu, více ledu a méně plynu, plynulé přechody místo ostrých hranic atd. Výsledkem je, že nejsme nuceni představovat si Uran a Neptun jako ledové koule s trochou horniny. Můžeme je také popsat jako převážně skalnaté světy s obalem velmi horkých, hustých tekutin (voda, čpavek, metan) a relativně řídkou atmosférou z vodíku a helia.
Kontext našich představ o Uranu a Neptunu
Rozdíl není jen otázkou označení. Pokud jsou Uran a Neptun v jádru skalní obři, má to důsledky na několika frontách:
- Jak vznikly: Klasické modely vzniku planet předpokládají, že za určitou vzdáleností od Slunce se vodní led a další těkavé sloučeniny stávají hojnými a usnadňují stavbu velkých planet. Pokud i tam ve skutečnosti převažují horniny, bude třeba přezkoumat, kolik pevného materiálu bylo k dispozici a jak byl sestaven.
- Jak se vyvíjejí tepelně: Horniny a led vedou a uchovávají teplo odlišně. Skalnatější nitro by mohlo pomoci vysvětlit například to, proč Neptun vyzařuje do vesmíru téměř dvakrát více energie, než kolik jí od Slunce přijímá, zatímco Uran jí vyzařuje sotva více, než jí přijímá. Tato asymetrie vrtá vědcům hlavou už celá desetiletí.
- A co exoplanety: Mnoho planet objevených kolem jiných hvězd má podobnou velikost a hmotnost jako Uran a Neptun. Často se jim říká „subneptuny“ nebo „mírné neptuny“ a předpokládá se, že jsou to analogicky mraziví obři. Pokud se ukáže, že náš vlastní Uran a Neptun jsou kamenitější, než jsme si mysleli, je možné, že si špatně vykládáme povahu tisíců exoplanet.
Jinými slovy, nejde jen o změnu názvu: jde o změnu myšlenkového rámce. A to je ve vědě často důležitější než konkrétní označení, které používáme.
Za hranice možností a chápání
Ve skutečnosti se zdá, že tytéž simulace vysvětlují i další překvapivé vlastnosti Neptunu a Uranu, které s výše uvedeným sporem nesouvisejí. Z těchto simulací je například lépe pochopitelné, proč místo dvou magnetických pólů (jako my) mají více.
„Naše modely mají vrstvy takzvané „iontové vody“, které generují magnetické dynamo v místech, jež vysvětlují pozorovaná nedipólová magnetická pole. Zjistili jsme také, že magnetické pole Uranu vzniká hlouběji než magnetické pole Neptunu,“ vysvětluje Ravit Helled.
„Iontová voda“ není voda, jak ji známe. Pod tlakem milionkrát vyšším než v zemské atmosféře a při teplotě tisíců stupňů se molekuly vody rozpadají a atomy se uspořádávají do exotických stavů, v nichž se elektrony mohou relativně volně pohybovat. Jinými slovy, voda se chová jako elektricky vodivá kapalina. Pokud se tato kapalina pohybuje uvnitř planety, může vytvářet složitá magnetická pole s několika póly a pokroucenou geometrií, jak to vidíme na Uranu a Neptunu.
Nové modely nám navíc umožňují hrát si s hloubkou a tloušťkou těchto vodivých vrstev. Pokud je „oceán“ iontové vody blíže k povrchu nebo hlouběji, výsledné magnetické pole se mění. To odpovídá pozorováním sondy Voyager 2, která již ukázala, že magnetické pole Uranu je silně skloněné (asi 59 stupňů) vzhledem k rotační ose a posunuté od středu planety, zatímco magnetické pole Neptunu je také silně nepravidelné, ale jiným způsobem.
Mohli bychom být na pokraji zásadní změny v chápání naší sluneční soustavy, ale sami vědci jsou opatrní. „Jedním z hlavních problémů je, že fyzikové stále jen stěží chápou, jak se materiály chovají v exotických podmínkách tlaku a teploty, které se nacházejí v jádru planety. To by mohlo ovlivnit naše výsledky,“ říká Luca Morf. K tomu Ravit Helled dodává:
„Jak Uran, tak Neptun by mohly být kamennými nebo ledovými obry v závislosti na modelových předpokladech. Současné údaje jsou pro rozlišení těchto dvou typů nedostatečné, a proto potřebujeme specializované mise k Uranu a Neptunu, které by mohly odhalit jejich skutečnou povahu.“
Velká nedokončená práce
A zde je slon v porcelánu: k Uranu a Neptunu jsme se nevrátili od 80. let minulého století. Zatímco k Jupiteru a Saturnu se uskutečnily specializované mise (Galileo, Juno, Cassini…), vzdálenější obři zůstávají prakticky na stejné úrovni podrobností jako před čtyřiceti lety.
To by se mohlo v příštích desetiletích změnit. Vědecká komunita již dlouho volá po specializované misi a americká Národní akademie věd ve své dekadické zprávě z roku 2022 doporučila jako prioritu misi k Uranu. Šlo by o vyslání orbitální sondy s přístroji schopnými
- Přesně měřit gravitační a magnetické pole, aby bylo možné lépe rekonstruovat jeho nitro.
- Podrobně studovat atmosféru, její složení a větry.
- Analyzovat její měsíce, z nichž některé mohou mít vnitřní oceány.
ESA (Evropská kosmická agentura) rovněž studovala koncepty misí k ledovým obrům. Zatím je však vše ve fázi návrhu a stanovení priorit. Bez nových misí zůstaneme trčet v říši modelování a dohadů.
Pluto, Uran, Neptun… a exoplanety
Případ Pluta nám připomíná, že s příchodem nových dat se mění i označení. Definice planety podle Mezinárodní astronomické unie (IAU) z roku 2006 mimo jiné vyžaduje, aby objekt „vyčistil svou oběžnou dráhu“ od jiných podobných těles. Pluto toto kritérium nesplňuje, ale jeho „degradace“ měla vedlejší efekt: donutila nás podívat se na objekty Kuiperova pásu jinak a připustit, že za Neptunem existuje mnoho malých, složitých a zajímavých světů.
Něco podobného by se mohlo stát s Uranem a Neptunem, ale v jiném měřítku. Nepřestanou být planetami, ale přehodnocení jejich povahy nám může pomoci lépe pochopit celou populaci světů mimo sluneční soustavu. Nyní víme, že:
- Planety střední velikosti (mezi Zemí a Neptunem) jsou v galaxii velmi časté, přestože v naší sluneční soustavě žádný takový typ nemáme.
- Mnohé z těchto exoplanet mají hustotu slučitelnou s vodními i kamennými světy s hustou atmosférou. To znamená, že stejné údaje umožňují několik různých vnitřních historií.
Pokud zpřesníme naše znalosti o Uranu a Neptunu, můžeme tyto poznatky použít jako realističtější šablony pro interpretaci toho, co vidíme u jiných hvězd. A možná zjistíme, že některé z těchto vzdálených „neptunů“ jsou ve skutečnosti vzdálení příbuzní Země na steroidech: obrovské skalnaté světy zahalené do přikrývek z exotických tekutin.