Газовые гиганты — это массивные планеты, состоящие преимущественно из лёгких газов — водорода и гелия. В Солнечной системе к ним относятся Юпитер и Сатурн. Уран и Нептун, хотя и относятся к планетам-гигантам, классифицируются как ледяные гиганты из-за более высокого содержания «льдов» (воды, метана, аммиака) в их составе.
Термин «газовый гигант» был придуман в 1952 году писателем-фантастом Джеймсом Блишем.
Характеристики газовых гигантов
Состав. Водород и гелий составляют более 90% массы планеты. Тяжёлые элементы (например, кремний, железо) занимают от 3 до 13%.
Масса. Юпитер — самая большая планета Солнечной системы, его масса в 317 раз превышает земную. Масса Сатурна — около 95 земных масс. Теоретический верхний предел массы газового гиганта — 13 масс Юпитера. При большей массе в ядре начинаются термоядерные реакции, и объект переходит в класс коричневых карликов.
Плотность. Относительно низкая из-за преобладания лёгких элементов. Сатурн, например, мог бы «плавать» в воде, если бы существовал достаточно большой океан.
Вращение. Быстрое: период суточного вращения составляет 9–17 часов. Из-за этого планеты заметно сплюснуты у полюсов.
Отсутствие твёрдой поверхности. Атмосфера постепенно уплотняется, переходя в жидкое и, возможно, металлическое состояние с глубиной. Любой спускаемый аппарат будет раздавлен огромным давлением и разрушен высокой температурой.
Строение
Модели внутреннего строения предполагают несколько слоёв:
- Атмосфера. Состоит из водорода, гелия и примесей (аммиак, метан, водяной пар и др.).
- Слой жидкого водорода. На определённой глубине давление достигает значений, достаточных для перехода водорода в жидкое состояние.
- Слой металлического водорода (присутствует в достаточно крупных планетах). Под ещё более высоким давлением водород переходит в металлическое состояние, где протоны и электроны существуют раздельно. Электрические токи в этом слое порождают мощное магнитное поле планеты.
Ядро. Относительно небольшое каменное или металлическое ядро. По данным миссии «Галилео», на глубине 130 км в атмосфере Юпитера температура составляла около 145 °C, а давление — 24 атмосферы.
Газовые гиганты излучают заметно больше тепла, чем получают от Солнца. Это объясняется выделением гравитационной энергии при сжатии планеты и дифференциации её недр (опускании более плотного вещества к центру). Существуют гипотезы о термоядерном синтезе внутри Юпитера, но они не подтверждены наблюдениями.
Атмосфера и погодные явления
В атмосферах газовых гигантов дуют мощные ветры. Например, на экваторе Сатурна их скорость достигает 1800 км/ч. Наблюдаются постоянные атмосферные образования — гигантские вихри.
Наиболее известное из них — Большое Красное Пятно на Юпитере. Это устойчивый антициклон, который существует уже более 300 лет и превосходит размерами Землю. На Сатурне также есть более мелкие вихревые структуры.
Спутники
У Юпитера и Сатурна открыто наибольшее количество спутников среди всех планет Солнечной системы.
Юпитер имеет 79 спутников. Четыре крупнейших из них — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто — называются галилеевыми. Ганимед — самый большой спутник в Солнечной системе, его диаметр превышает диаметр Меркурия.
Сатурн имеет 82 подтверждённых спутника. Самый крупный — Титан, единственный спутник с плотной атмосферой, богатой азотом, и метановыми озёрами на поверхности.
Для газовых планет Солнечной системы отношение суммарной массы их спутников к массе планеты составляет около 0,01% (1 к 10 000).
Кольца
Все планеты-гиганты имеют кольцевые системы, но у газовых гигантов они менее выражены, чем у ледяных.
Юпитер обладает пылевыми, невзрачными кольцами, которые плохо видны. Они состоят из пыли, сметаемой со спутников.
Сатурн знаменит своими яркими и сложными кольцами, состоящими из миллиардов частиц льда и пыли. Их сложная структура поддерживается спутниками-пастухами, которые координируют орбиты материала.
Экзопланеты
Из-за больших размеров и масс газовые гиганты относительно легко обнаруживаются среди экзопланет (планет за пределами Солнечной системы). Крупнейшая из известных — TrES-4b.
Ледяные гиганты: Уран и Нептун
Ледяные гиганты — класс планет‑гигантов, которые в основном состоят из элементов тяжелее водорода и гелия. В Солнечной системе к ним относятся Уран и Нептун.
Название «ледяные» связано с тем, что в астрофизике вещества с температурой замерзания выше или порядка 100 K (вода, метан, аммиак) называют «льдами». При этом на самих планетах эти вещества находятся в состоянии сверхкритической жидкости из‑за высокого давления и температуры.
Формирование
Происхождение ледяных гигантов до конца не ясно — общепринятой модели их формирования нет. Есть несколько гипотез:
Миграция из внутренних областей. Уран и Нептун могли сформироваться между орбитами Юпитера и Сатурна, а затем быть выброшены на более удалённые орбиты под действием их гравитации.
Гравитационный коллапс. Протопланетный диск мог быть неоднородным, и на больших расстояниях от Солнца плотные сгустки вещества коллапсировали в планеты без классической аккреции.
Основные характеристики
Размер и масса. Меньше газовых гигантов: диаметр около 50 000 км (в 4 раза больше Земли, но почти в 3 раза меньше Юпитера).
Плотность. Около 1,3 г/см³ у Урана и 1,6 г/см³ у Нептуна.
Температура. На поверхности не превышает −200 °C (средняя около −220 °C).
Состав. Водород и гелий составляют лишь 15–20 % массы. Остальное — «льды» (вода, аммиак, метан) и скальные породы.
Давление и температура внутри. Достигают нескольких сотен гигапаскалей и тысяч кельвинов.
Строение
Типичная модель строения ледяного гиганта включает:
Атмосфера. Состоит из водорода, гелия и метана (последний придаёт планетам голубой цвет).
Мантия. Толстый слой «горячего льда» — сверхкритической жидкости из воды, аммиака и метана. Именно здесь, вероятно, возникают магнитные поля.
Ядро. Относительно небольшое, каменное или железо‑каменное.
Магнитные поля
Уран и Нептун имеют сильные, но аномально наклоненные магнитные поля:
Уран: магнитная ось наклонена на 59° относительно оси вращения.
Нептун: наклон составляет 47°.
Напряжённость: поле Урана сильнее земного в 50 раз, Нептуна — в 25 раз.
Считается, что источник поля — конвекционные потоки в электропроводящей мантии (водно‑аммиачной жидкости), а не металлическом водороде, как у газовых гигантов.
Атмосфера и климат
Атмосферы Урана и Нептуна схожи с атмосферами газовых гигантов, но менее активны:
Уран. Атмосфера довольно спокойная, устойчивые вихри редки. Ось вращения наклонена на 97°, поэтому смена сезонов происходит необычно: полюса получают больше тепла, чем экватор.
Нептун. Несмотря на удалённость от Солнца, имеет активные атмосферные процессы. Знаменитое Большое Тёмное Пятно — гигантский антициклон, похожий на Большое Красное Пятно Юпитера. Ветры достигают 2100 км/ч — самые быстрые в Солнечной системе.
Кольца
Оба гиганта имеют кольцевые системы, но они гораздо слабее и темнее, чем у Сатурна:
Уран: 13 узких тёмных колец, состоящих из мелких частиц.
Нептун: 5 слабых колец, частично прерывистых.
Спутники
У Урана и Нептуна много спутников, среди которых есть геологически интересные объекты:
Уран. Известно 27 спутников. Крупнейшие — Титания и Оберон. Некоторые спутники имеют ледяную кору и, возможно, подповерхностные океаны.
Нептун. 14 спутников. Самый крупный — Тритон, который вращается в обратном направлении (ретроградно). Это указывает на то, что он был захвачен гравитацией Нептуна из пояса Койпера. Тритон геологически активен: на нём наблюдаются криовулканы, извергающие азот.
Исследования
Единственный космический аппарат, посетивший Уран и Нептун, — «Вояджер‑2»:
1986 год: пролёт мимо Урана.
1989 год: пролёт мимо Нептуна.
1989 год: пролёт мимо Нептуна.
С тех пор эти планеты изучаются только с помощью наземных и орбитальных телескопов (например, «Хаббла»). Планируются новые миссии, но они пока находятся на стадии проектирования.
Экзопланеты
Ледяные гиганты распространены и за пределами Солнечной системы. Пример — экзопланета OGLE‑2008‑BLG‑092L b. Такие объекты иногда называют «холодными нептунами». Их изучение помогает понять, насколько типичны Уран и Нептун в масштабах Галактики.