Dlaczego Uran i Neptun są aż tak różne?

Dwie najbardziej zewnętrzne planety-olbrzymy Układu Słonecznego mają podobne masy, ale jednocześnie występują między nimi uderzające różnice. Badacze z National Centre of Competence in Research PlanetS (NCCR PlanetS) na Uniwersytecie w Zurychu być może znaleźli wyjaśnienie tej od dawna nierozwiązanej zagadki: ich zdaniem dwa różne zderzenia mogły w tym przypadku wywołać zupełnie odmienne skutki.

Uran i Neptun to krążące najdalej od Słońca planety naszego układu. Pod względem wielkości, mas i oddalenia od Słońca są do siebie dość podobne. Obie wyraźnie też różnią się od wewnętrznych planet skalistych, podobnych do Ziemi, oraz gazowych olbrzymów – Jowisza i Saturna. Istnieją też jednak uderzające różnice między tymi planetami. Tak uważa między innymi Christian Reinhardt, który bada Urana i Neptuna wraz z Alice Chau, Joachimem Stadelem i Ravitem Helledem, członkami zespołu PlanetS na Uniwersytecie w Zurychu.

Przykładowo, Uran i jego największe księżyce są nachylone o około 97 stopni w stosunku do kierunku prostopadłego do ekliptyki, a oś obrotu planety znajduje się niemal w płaszczyźnie Układu Słonecznego. Dodatkowo Uran obraca się ruchem wstecznym w stosunku do Słońca. A to jeszcze nie wszystko. Duże satelity Urana krążą po regularnych orbitach pod dużym kątem wraz z planetą, co sugeruje, że powstały one z czegoś na kształt wspólnego dysku materii, podobnie jak Księżyc Ziemi. Natomiast Tryton, największy satelita Neptuna, ma dużo bardziej nachyloną orbitę, a zatem najprawdopodobniej jest to obiekt przechwycony później przez tę planetę, a nie uformowany z okolicznej, bliskiej materii. Do tego wiele wskazuje na to, że Uran i Neptun mogą się bardzo różnić pod względem przepływu ciepła i struktury wewnętrznej.

Często zakłada się, że obie planety uformowały się w podobny sposób – wyjaśnia Alice Chau. To z łatwością tłumaczy ich bardzo podobne masy, średnią odległość od Słońca i być może skład. Ale skąd wzięły się istotne różnice między nimi? Ponieważ, jak wiemy, zdarzenia kolizyjne są powszechne podczas powstawania i wczesnej ewolucji układów planetarnych, sugerowano, że to właśnie różne dawne zjawiska zderzeniowe mogły mieć znaczący wpływ na źródło dychotomii między Uranem i Neptunem. Tymczasem we wszystkich wcześniejszych pracach albo badano jedynie dawne kolizje, które mogły wpłynąć na budowę i parametry orbity Urana, albo znaczenie takich badań było ograniczone na skutek dużych uproszczeń w obliczeniach.

Teraz jednak po raz pierwszy zespół z Uniwersytetu w Zurychu zbadał możliwe skutki i wpływ szeregu różnych kolizji z udziałem obu planet przy użyciu zaawansowanych symulacji komputerowych o wysokiej rozdzielczości. Uczeni wykazali, że zderzenie Urana i Neptuna z ciałem o masie z zakresu jednej do trzech mas Ziemi może dość dobrze wyjaśnić obserwowane różnice. A w przypadku Urana tzw. zderzenie typu muskającego mogło silnie przechylić planetę w stosunku do jej pierwotnej orbity, ale nie wpłynęłoby silnie na jej wnętrze.

Z drugiej strony zderzenie czołowe Neptuna z obcym ciałem silnie wpłynęłoby na jego strukturę, ale nie doprowadziłoby do utworzenia się dysku materii wokół niego, co dobrze zgadza się z obserwowanym brakiem dużych księżyców tej planety na regularnych orbitach. Hipotezę takiej kolizji, która mogła poważnie zmienić skład wewnętrzny planety, wspierają też dane obserwacyjne w postaci większego strumienia cieplnego Neptuna.

Nowa teoria powstawanie Urana i Neptuna

Na ilustracji: Nowa teoria powstawanie Urana i Neptuna. Źródło: Reinhardt & Helled, ICS, University of Zürich

Wyraźnie pokazuje to, że początkowo podobna ścieżka powstania Urana i Neptuna na skutek kolizji z innymi ciałami może prowadzić do znaczącej dychotomii we właściwościach tych fascynujących planet zewnętrznych – podsumowuje Ravit Helled. Przyszłe misje NASA i ESA na Urana i Neptuna mogą zapewnić nowe, kluczowe ograniczenia dla tego typu scenariusza, a także uzupełnić nasze zrozumienie procesu powstawania Układu Słonecznego i egzoplanet, których do dziś znamy już ponad cztery tysiące.

Czytaj więcej: