Юпитер излучает в космос почти вдвое больше энергии, чем получает от Солнца. Этот факт десятилетиями не давал покоя планетологам: откуда берётся «лишнее» тепло? Ответ, похоже, скрыт в недрах гиганта — там, где давление в десятки миллионов атмосфер и температуры в 10–20 тысяч градусов творят с веществом нечто неожиданное.

Летом 2008 года Раймонд Джинлоз из Калифорнийского университета в Беркли и Ларс Стиксруд из Лондонского университетского колледжа предложили новую модель внутреннего устройства Юпитера и Сатурна. Их работа, опубликованная в журнале PNAS, заставила пересмотреть привычные представления о том, что скрывается под облаками газовых гигантов.

Квантовый взгляд на недра планет

Долгое время внимание экспериментаторов было приковано к водороду — его в составе Юпитера и Сатурна больше 70%. Но Джинлоз и Стиксруд решили уточнить поведение второго по распространённости элемента — гелия. С помощью квантово-механических расчётов они смоделировали условия, царящие в центрах планет-гигантов: чудовищное давление и адский жар. Результаты расчётов для более низких давлений хорошо совпали с лабораторными данными, что придало модели вес.

Вывод оказался парадоксальным. Считалось, что экстремальные условия скорее мешают гелию стать металлом — атомы колеблются слишком сильно, и электронам трудно пробираться сквозь вещество. Но расчёты показали обратное: в ядрах Юпитера и Сатурна гелий превращается в жидкий металл. «Вы можете представить себе эту жидкость в виде ртути, только темнее», — пояснил Джинлоз.

Не ртуть, а нечто более странное

Дело не только в гелии. Согласно новой модели, в недрах газовых гигантов водород и гелий образуют жидкий металлический сплав — причём гораздо более однородный, чем предполагалось ранее. Это открытие, сделанное, что называется, «на кончике пера», способно изменить многие аспекты наших знаний о Юпитере и Сатурне: от их эволюции до текущих процессов, порождающих энергетический дисбаланс.

Именно этот дисбаланс — избыточное тепловое излучение — долго оставался загадкой. Если планета отдаёт больше, чем получает, значит, внутри неё работает какой-то источник энергии. Металлический гелий и его сплав с водородом могут быть ключом к разгадке: их поведение при колоссальных давлениях, вероятно, запускает механизмы выделения тепла.

Сатурн и Юпитер: два брата, но не близнецы

Любопытно, что при всём сходстве двух гигантов их недра могут серьёзно различаться. Некоторые модели предсказывают, что внутренняя структура Сатурна заметно отличается от юпитерианской. Мы уже касались этой темы, когда рассказывали о гелиевом дожде, который, по мнению учёных, разогревает Сатурн изнутри — гелиевый дождь в недрах Сатурна разогревает планету изнутри. Там конденсация гелия и его падение к центру планеты создают дополнительное тепло. Новая работа Джинлоза и Стиксруда добавляет ещё один слой к этой картине: возможно, в ядре формируется не просто дождь, а целый океан металлического сплава.

Лаборатория, которой нет

Главная трудность в изучении недр газовых гигантов — невозможность воспроизвести их условия на Земле. Давление в десятки миллионов атмосфер и температуры в тысячи градусов остаются недосягаемыми для лабораторных экспериментов. Поэтому учёным приходится полагаться на численные модели и квантово-механические расчёты. Работа Джинлоза и Стиксруда — яркий пример того, как теоретическая физика позволяет заглянуть туда, куда не добраться ни одному зонду.

Остаётся много неясного. Точная картина самых глубоких слоёв, детали перемешивания водорода и гелия, различия между Юпитером и Сатурном — всё это ещё ждёт своих исследователей. Но уже сейчас ясно: металлический гелий в ядрах планет-гигантов — не просто экзотика, а вероятный ключ к пониманию их энергетики и эволюции.