У Юпитера нет поверхности, под которой начинались бы аккуратные слои вроде земной коры, мантии и ядра. Это гигантская планета из водорода и гелия, где давление растёт непрерывно, газ постепенно становится плотной жидкостью, а глубже водород приобретает металлические свойства. Данные Juno показали, что даже центральное «ядро» устроено гораздо менее чётко, чем предполагали старые учебные схемы.
От облаков к глубокому молекулярному водороду
Верхний видимый слой — облачные пояса и зоны, содержащие аммиак, воду и другие соединения в сложной атмосфере из водорода и гелия. По мере погружения давление быстро растёт, и чёткой границы «атмосфера закончилась — жидкость началась» нет.
Juno по гравитационным измерениям показала, что мощные зональные ветры проникают примерно на 3000 километров ниже облачных вершин. То есть знакомые полосы — не только тонкая погодная плёнка; динамика атмосферы захватывает значительную глубину.
Когда водород становится металлом
При огромных давлениях молекулы водорода перестают вести себя как обычный газ. Электроны становятся гораздо более свободными, и возникает жидкий металлический водород — проводящая среда. Движение этой проводящей жидкости вместе с быстрым вращением планеты создаёт мощное магнитное поле Юпитера.
Переход не обязан происходить как резкая граница. Современные модели описывают обширную область, где свойства вещества меняются с давлением и температурой. Поэтому популярная картинка из нескольких цветных концентрических оболочек — полезная схема, но не буквальный разрез.
Гелиевый дождь и внутреннее тепло
В определённых условиях водород и гелий могут разделяться. Капли более плотного гелия опускаются глубже, высвобождая гравитационную энергию. Этот «гелиевый дождь» рассматривается как один из процессов, влияющих на тепловую эволюцию гигантских планет.
Юпитер излучает больше энергии, чем получает от Солнца. Часть этого тепла — остаток формирования и медленного гравитационного сжатия. В глубоких слоях температуры достигают десятков тысяч градусов, хотя точные значения зависят от модели вещества при экстремальных давлениях.
Juno изменила представление о ядре
Раньше Юпитер часто рисовали с небольшим компактным каменно-ледяным ядром, окружённым почти однородным водородом. Гравитационные данные Juno лучше согласуются с гораздо более протяжённой областью тяжёлых элементов без чёткой границы — так называемым dilute, или «размытым», ядром.
Это не означает, что каменный центр обязательно полностью растворился. Термин описывает распределение тяжёлого вещества по большой глубине. Такая структура могла возникнуть при формировании планеты или быть усилена ранним гигантским столкновением, но конкретная история всё ещё моделируется.
Зачем вообще знать, что скрыто под облаками
Внутреннее строение связано с происхождением Юпитера. Если гигант начал расти вокруг массивного твёрдого зародыша, распределение тяжёлых элементов должно хранить след этого процесса. Если планета формировалась иначе или пережила крупное столкновение, структура ядра будет другой.
А Юпитер — не частный случай. Газовые гиганты являются одним из самых распространённых типов экзопланет, но большинство из них мы видим только как точки и спектры. Подробное исследование Юпитера даёт физическую лабораторию, с которой сравнивают далёкие миры.
Поэтому хороший «разрез Юпитера» сегодня должен показывать не набор твёрдых оболочек, а постепенные переходы вещества: облачная атмосфера, глубокий молекулярный водород, область металлического водорода и размытую центральную зону тяжёлых элементов. Именно эту более сложную картину принесла миссия Juno.
Гравитационное поле даёт ключ к невидимым слоям, потому что распределение массы слегка меняет траекторию Juno. Сеть Deep Space Network измеряет доплеровский сдвиг радиосигнала с чрезвычайной точностью, и по крошечным изменениям скорости аппарата восстанавливают коэффициенты гравитационного поля. Так «разрез» планеты получают без бурения и без возможности заглянуть внутрь напрямую.
Магнитные измерения дополняют картину. Поле Юпитера оказалось не таким простым диполем, как ожидали: в нём есть сильная региональная неоднородность. Это помогает ограничивать глубину и геометрию динамо в металлическом водороде. Вместе гравитация, магнитное поле, микроволновые измерения и атмосферная динамика связывают внешние полосы с тем, что происходит на десятках тысяч километров глубже.
Данные о глубоком составе нужны и для объяснения химии атмосферы. Измерения аммиака и воды микроволновым радиометром Juno показывают, что вещества перемешиваются глубже привычного облачного уровня. Это связывает метеорологию с внутренней конвекцией: граница между «погодой» и «внутренним строением» у газового гиганта намного менее резкая, чем у каменной планеты.