Поставмо поруч Землю, Юпітер і Сатурн. Середній радіус Юпітера приблизно в одинадцять разів більший за земний, а його маса — приблизно у 318 разів. Сатурн трохи менший за розміром, але значно менш масивний: близько 95 Земель. Величезний диск на зображенні ще не говорить, скільки в планеті речовини. JPL: радіуси й маси планет.
Юпітер і Сатурн стали гігантами, бо на ранньому етапі утворення Сонячної системи накопичили величезні оболонки водню й гелію. У провідній моделі їхні кам’яно-крижані зародки виросли, поки навколо молодого Сонця ще було багато газу. Притягнута оболонка віддавала тепло, стискалася й могла накопичувати наступні порції газу. Самого холоду чи самої віддаленості від Сонця для цього недостатньо. NASA: як утворюються планети, Ikoma й Kobayashi: фізика накопичення газу.
Запас газу був великим, але тимчасовим
Молоде Сонце оточував протопланетний диск — обертовий диск газу й твердих частинок. З нього росли майбутні планети. Земля стала переважно кам’яно-металевим тілом; у Юпітера й Сатурна найбільшу частину маси становлять легкі елементи водень і гелій. Саме тому їх називають газовими гігантами. Назва описує склад, а не обіцяє, що вся планета має стан розрідженого газу. NASA: Юпітер, NASA: Сатурн.
Резервуар газу не залишався навколо Сонця назавжди. Спостереження молодих зоряних систем показують, що газові диски зазвичай існують лише кілька мільйонів років. Це коротке вікно для зростання: масивний зародок, який сформувався вже після розсіювання газу, не отримав би такої оболонки з диска. «Кілька мільйонів» — типовий часовий масштаб, а не встановлений секундомір для народження Сатурна. Dawson і Johnson: час життя дисків та утворення ядер.
Лід допоміг зібрати великий зародок
У холодніших частинах диска вода могла існувати як лід на твердих частинках. Межу, за якою умови дозволяють водяному льоду зберігатися, називають водяною сніговою лінією. Там до кам’янистого матеріалу додавався лід: для росту планетного зародка був доступний більший запас твердої речовини. Снігова лінія залежала від умов у диску; це не нерухома сучасна риска між двома планетами. NASA: снігова лінія та газові гіганти.
Частинки об’єднувалися, більші тіла захоплювали новий матеріал, і зародки набирали масу. Акреція — назва такого росту через приєднання речовини. У моделі акреції на ядро спочатку виростає масивний зародок із важчих речовин, навколо якого поступово накопичується газ. Це не означає, що всі його початкові складники й сьогодні лежать у вигляді окремої твердої кулі.
Але якщо газ притягується тяжінням, чому будь-який маленький камінь у диску не перетворився на Юпітер? Тому що притягнути речовину ближче й накопичити масивну оболонку — різні завдання.
Щоб накопичити газ, треба відвести тепло
Газ, який збирається й стискається біля зародка, нагрівається. Тиск гарячої оболонки протидіє стисканню. Якщо вона погано віддає енергію, накопичення нових порцій газу відбувається повільно, навіть за наявності газу довкола.
Коли оболонка випромінює енергію, вона може стискатися, а з навколишнього диска надходить новий газ. Зі зростанням маси важливішим стає тяжіння самої оболонки. У певних умовах виникає взаємне підсилення: більше газу → сильніше тяжіння → швидше стискання й подальше накопичення. Це називають лавиноподібною акрецією газу. Саме цей етап у провідній моделі дозволяє перейти від зародка до планети, більша частина маси якої — водень і гелій.
Єдиного перемикача «рівно десять мас Землі — і гравітація ввімкнулася» немає. Вона діяла й раніше. Темп росту залежить від маси зародка, відведення тепла, складу оболонки та нагрівання матеріалом, що падає. Зрештою зростання обмежує і подача газу з диска. Огляд Ikoma й Kobayashi: охолодження, самогравітація та обмеження росту.
Відгалуження · ГлибшеНеобов’язково · можна пропустити
Чому Юпітер накопичив більше за Сатурн?
На остаточну масу впливають час і місце зростання, доступна речовина та рух газу. Масивна планета змінює диск довкола своєї орбіти й може створити в ньому розріджений кільцевий проміжок. Це змінює подачу газу, але не перекриває її герметично. Планета також може змінювати орбіту, взаємодіючи з диском.
Тому фраза «Сатурн просто народився пізніше» була б надто певною реконструкцією. Ми маємо сучасні маси й перевіряємо сценарії, які могли до них привести. Існує й інший механізм утворення гігантів — гравітаційне розпадання масивного газового диска на згустки. Для пояснення Юпітера й Сатурна зазвичай відправною точкою є акреція на ядро; детальна історія та застосовність різних механізмів до всіх екзопланет залишаються предметом досліджень. Ikoma й Kobayashi: механізми й відкриті питання.
Під хмарами немає земного ґрунту
Коли дивимося на Юпітер чи Сатурн, бачимо хмари. Під ними тиск і температура зростають, а водень стає дедалі густішим флюїдом — речовиною, здатною текти. Глибше водень проводить електричний струм, тому його називають металічним. Це не тверда металева шкаралупа. NASA: водень у надрах Юпітера.
Отже, «газовий гігант» не означає величезну порожню хмару. Водночас на ньому немає доступної твердої поверхні, де апарат міг би приземлитися, як на Марсі. Спроба спуску привела б у дедалі екстремальніші умови, а не до безпечного дна. Перед вибором області на схемі спробуйте передбачити: з глибиною речовина стане густішою чи розрідженішою?
Від хмар до розмитого ядра
Чи стає речовина з глибиною розрідженішою? Оберіть область і простежте, як тиск змінює водень. Стрілки клавіатури перемикають вибір.
Маса й розмір — різні порівняння
Земля
Юпітер
Сатурн
| Земля | Юпітер | Сатурн | |
|---|---|---|---|
| Середній радіус, км | 6 371 | 69 911 | 58 232 |
| Маса, Земля = 1 | 1 | 317,83 | 95,16 |
| Середня густина, г/см³ | 5,51 | 1,33 | 0,69 |
Юпітер має приблизно у 3,34 раза більшу масу за Сатурн, але лише у 1,20 раза більший середній радіус.
Порівняння під зрізом показує ще одну особливість: Юпітер набагато масивніший за Сатурн, але їхні радіуси відрізняються порівняно мало. Газова планета стислива: додаткова маса посилює власне тяжіння та стискання надр. Її не можна роздувати як повітряну кульку, зберігаючи однакову густину. Склад, температура та історія охолодження теж впливають на радіус; самою масою точний розмір не визначити.
Відгалуження · З формуламиНеобов’язково · можна пропустити
Як порівняти середню густину двох гігантів
Середня густина — маса, поділена на об’єм. Якщо M — маса, а R — радіус кулі з таким самим об’ємом, то:
\bar\rho=\frac{M}{V}=\frac{3M}{4\pi R^3}.
Маса в кілограмах і радіус у метрах дають густину в кг/м³. Для відношення можна скористатися однаковими одиницями з таблиці: вони скоротяться. Позначимо Юпітер літерою J, Сатурн — S:
\frac{\bar\rho_J}{\bar\rho_S} =\frac{M_J/M_S}{(R_J/R_S)^3} \approx\frac{3{,}34}{1{,}20^3} \approx1{,}93.
Отже, Юпітер у середньому приблизно в 1,9 раза густіший. Перевірка змісту формули: за незмінної маси подвоєння радіуса збільшило б об’єм увосьмеро та зменшило б густину увосьмеро.
Використано середні об’ємні радіуси, а не екваторіальний радіус однієї планети й середній другої. Формула порівнює сучасні планети; вона не передбачає, яким стане Юпітер після додавання певної порції газу. JPL: дані й визначення радіусів.
Як досліджують надра, до яких не можна дістатися
Апарат Juno вимірює гравітаційне поле Юпітера з орбіти. Різні розподіли речовини всередині планети створюють трохи різне поле. Дослідники порівнюють вимірювання з розрахунками й відбирають сумісні моделі. Вони підтримують розмите, або розбавлене, ядро: важкі елементи розподілені в протяжній центральній області та змішані з воднем і гелієм. Це висновок із даних і моделей, а не фотографія оголеного центру. Mission Juno: розмите ядро.
Сатурн додає незвичайний інструмент — власні кільця. Внутрішні коливання планети змінюють її гравітаційне поле й можуть збуджувати хвилі в кільцях. За спостереженнями Cassini дослідники зіставили такі хвилі та гравітаційні вимірювання з моделями надр. Робота Mankovich і Fuller 2021 року підтримує широкий поступовий перехід між ядром та оболонкою Сатурна. Кільця тут працюють як віддалений індикатор коливань планети. Mankovich і Fuller: дослідження Сатурна.
Схема з чіткими концентричними шкаралупами була б зручнішою для малювання, але приховувала б невизначеність. Точний розподіл важких елементів, можливий компактний центр і походження розмитих ядер досі уточнюють. Початковий зародок у моделі формування та сучасна центральна область — не обов’язково одна й та сама структура.
Що зміниться, якщо зародок виросте запізно?
Уявімо дві майбутні планети. Обидві зібрали однаково масивні кам’яно-крижані зародки. Перша зробила це, коли навколо ще було багато газу; друга — після розсіювання газового диска. Чи гарантує однакова маса зародків двох однакових газових гігантів?
Ні. Друга вже не має дискового резервуара, з якого можна накопичити гігантську воднево-гелієву оболонку. Для першої це можливо, але результат залежить також від охолодження й подачі газу. Великий зародок — частина умов, а не гарантія.
Так складається відповідь на початкове питання. Юпітер і Сатурн великі, бо встигли накопичити багато легких речовин із молодого диска; зростання підтримували тяжіння й відведення тепла, а обмежували час і доступність газу. Їхні надра стисливі й гарячі, тому назва «газові» не описує стан кожного шару, а великий радіус не є прямою мірою маси.
Щоб розмістити ці світи серед їхніх сусідів, поверніться до будови Сонячної системи. Уран і Нептун — наступне порівняння: назва «крижані гіганти» теж потребує пояснення складу, а не уявної поверхні зі снігу.