Уран, Астрофішки
Відкриття Урана, як планети, відбулося в 1781 астрономом Вільямом Гершелем, але до цього моменту його не менше двадцяти разів спостерігали на небі, приймаючи за зірку. Ім'я планеті було надано на честь давньогрецького бога небес.
Єдина і неповторна зі всіх планет Сонячної системи, обертання якої відбувається у лежачому положенні. Її вісь перебуває під нахилом до орбіти більш ніж дев'яносто градусів. Таке становище планети Уран може бути наслідком її зіткнення в давні часи з величезним астероїдом. Дуже цікава на Урані зміна пір року. Сорок два земні роки на Південному полюсі триває літо, при цьому сонце не заходить взагалі; наступні сорок два роки панує зима із постійною вночі; восени та навесні світило з'являється на небосхилі кожні дев'ять годин.
Відстань до Сонця від планети Уран у дев'ятнадцять разів перевищує проміжок між Землею та Сонцем, крім того, Уран важчий за нашу космічну батьківщину в чотирнадцять з половиною разів. Він більший за Землю вчетверо. Перша планета, відкрита з допомогою телескопа – це Уран.
На відміну від Юпітера, Сатурна та Нептуна, надра Урану заповнені великою кількістю «гарячих» модифікацій льоду – метанової, водної та аміачної. Через цю особливість вчені нагородили планету Уран прізвиськом, якого раніше удостоївся лише Нептун – Крижаний гігант.
Атмосфера Урану
Атмосфера на Урані потужна, завтовшки щонайменше 8000 км. Атмосфера Урану (але не Уран загалом!) складається приблизно з 83% водню, 15% гелію та 2% метану. Метан, ацетилен та інші вуглеводні в атмосфері планети зустрічаються у значно більших кількостях, ніж на Юпітері та Сатурні. Саме метановий серпанок добре поглинає червоні промені, томуУран здається блакитним. Подібно до інших газових планет, Уран має смуги хмар, які дуже швидко переміщаються. Але вони надзвичайно погано помітні і видимі лише на знімках з великою роздільною здатністю, зроблені "Вояджером-2".
Останні спостереження з HST дозволили розглянути великі хмари. Є припущення про те, що ця можливість з'явилася у зв'язку з сезонними ефектами, адже як не важко збагнути, зима від літа на Урані сильно різняться: ціла півкуля взимку на кілька років ховається від Сонця! Хоча Уран отримує в 370 разів менше тепла від Сонця, ніж Земля, так що влітку там теж не буває спекотно. Вітри в середніх широтах на Урані переміщують хмари у тих напрямах, як і Землі. Ці вітри дмуть зі швидкістю від 40 до 160 м/с; Землі швидкі потоки у атмосфері переміщаються зі швидкістю близько 50 м/с. Денна освітленість на Урані відповідає земним сутінкам відразу після заходу Сонця. Мінімальна температура 53 К спостерігалася на рівні 0,1 бар. Вище та нижче температура підвищується. Температура атмосфери лише на рівні 2,3 бар сягає 100 До.
Внутрішня будова Урану
Стандартна модель Урану передбачає, що Уран складається з трьох частин: у центрі – кам'яне ядро, у середині – крижана оболонка, зовні – воднево-гелієва атмосфера. Ядро є відносно невеликим, з масою приблизно від 0,55 до 3,7 земних мас і з радіусом 20 % від радіусу всієї планети. Мантія (льоди) становить більшу частину планети (60% від загального радіусу, до 13,5 земних мас). Атмосфера при масі, що становить лише 0,5 земних мас (або, за іншими оцінками, 1,5 земної маси), сягає 20 % радіусу Урана. У центрі Урану щільність має підвищуватися до 9 г/см 3 . Тиск на кордоні ядра та мантії має досягати 8 млн бар.(800 гПа) при температурі 5000 К.
Незважаючи на те, що описана вище модель є найбільш поширеною, вона не є єдиною. На підставі спостережень можна також побудувати й інші моделі - наприклад, якщо істотна кількість водневого і скельного матеріалу змішується в крижаній мантії, то загальна маса льодів буде нижче, і, відповідно, повна маса водню і скельного матеріалу - вище.
В даний час доступні дані не дозволяють визначити, яка модель правильніша. Рідка внутрішня структура означає, що Уран немає ніякої твердої поверхні, так як газоподібна атмосфера плавно переходить в рідкі шари. Однак, задля зручності за «поверхню» було вирішено умовно прийняти сплющений сфероїд обертання, де тиск дорівнює 1 бару. Екваторіальний та полярний радіус цього сплющеного сфероїда становлять 25 559 ± 4 та 24 973 ± 20 км.
Магнітосфера Урану
До початку досліджень за допомогою "Вояджера-2" жодних вимірювань магнітного поля Урана не проводилося. Перед прибуттям апарату до орбіти Урана 1986 року передбачалося, що він відповідатиме напрямку сонячного вітру. У цьому випадку геомагнітні полюси мали б збігатися з географічними, які лежать у площині екліптики.
Вимірювання «Вояджера-2» дозволили виявити в Урана вельми специфічне магнітне поле, яке не спрямоване з геометричного центру планети та нахилено на 59 градусів щодо осі обертання. Фактично магнітний диполь зміщений від центру планети до південного полюса приблизно на 1/3 від радіусу планети.
Ця незвичайна геометрія призводить до дуже асиметричного магнітного поля, де напруженість на поверхні у південній півкулі може становити 0,1гауса, тоді як у північній півкулі може досягати 1,1 гауса. У середньому по планеті цей показник дорівнює 0,23 гаусам (для порівняння, магнітне поле Землі однаково в обох півкулях, і магнітний екватор приблизно відповідає «фізичному екватору»).
Дипольний момент Урану перевершує земний у 50 разів. Крім Урана, аналогічне зміщене і магнітне поле, що «нахилилося», також спостерігається і у Нептуна — у зв'язку з цим припускають, що така конфігурація є характерною для крижаних гігантів. Одна з теорій пояснює даний феномен тим, що магнітне поле у планет земної групи та інших планет-гігантів генерується в центральному ядрі, а магнітне поле у «крижаних гігантів» формується на відносно малих глибинах: наприклад, в океані рідкого аміаку, в тонкій конвективній оболонці, що оточує рідку внутрішню частину, що має стабільну шарувату структуру.
Тим не менш, за загальною будовою магнітосфери Уран схожий на інші планети Сонячної системи. Є головна ударна хвиля, яка розташована на відстані від Урана до 23 його радіусу, та магнітопауза (на відстані 18 радіусів Урана). Є розвинені магнітний хвіст та радіаційні пояси. Загалом Уран структурою магнітосфери відрізняється від Юпітера і більше нагадує Сатурн. Магнітний хвіст Урана тягнеться за планетою на мільйони кілометрів і обертанням планети викривлено «у штопор».
Магнітосфера Урану містить заряджені частинки: протони, електрони та невелика кількість H2+ іонів. Жодних важчих іонів у ході досліджень виявлено не було. Багато з цих частинок, напевно, беруться з гарячої термосфери Урану. Енергії іонів та електронів можуть досягати 4 та 1,2 мегаелектронвольт (МеВ) відповідно. Щільність низькоенергетичних іонів(тобто іонів з енергією менше 0,001 МеВ) у внутрішній магнітосфері - близько 2 іонів на кубічний сантиметр. Важливу роль магнітосфері Урана грають його супутники, що утворюють великі порожнини в магнітному полі. Потік частинок досить високий, щоб викликати затемнення поверхні місяців протягом близько 100 000 років. Це може бути причиною темного забарвлення супутників і частинок Уранських кілець. На Урані добре розвинені полярні сяйва, які помітні як яскраві дуги навколо обох полярних полюсів. Проте, на відміну Юпітера, на Урані полярні сяйва не значущі для енергетичного балансу термосфери.
Чорні каблучки Урана
У кільцеву систему планети Уран входять тринадцять кілець. Вони не схожі на чудові кільця Сатурна, оскільки кольором схожі на вугілля. Темний колір майже не відображає сонячне проміння, тому кільця практично непомітні на тлі бездонної чорноти космічного простору. Лише 1977 року американським ученим вдалося відкрити перші п'ять. Це сталося випадково під час спостереження за процесом закриття газовим гігантом однієї із зірок. Така обсервація виконується для максимально точного визначення щільності атмосфери планети.
Великою несподіванкою для астрономів стало те, що зірка перестала бути видимою ще до повного перекриття її планетою Уран. Потім на якийсь час зірка знову стала видно в безодні Космосу, і тут же знову зникла з поля зору. Це повторилося п'ять разів до того, як зірка не була повністю заслонена планетою. Під час зворотного процесу, коли Уран продовжив рух орбітою, відкриваючи зірку, процес повторився знову. Пояснення цьому могло бути лише одне – вчені, самі того не бажаючи, виявили у космічного гіганта обручки. Це не могли бути супутники, тому що тоді довелося бдопустити наявність десяти нових, причому в одній площині та з однією орбітою для кожних двох.
У повній відповідності до логіки спостерігачі дійшли висновку, що кільця «забарвлені» у дуже темні кольори. Їх назвали відповідно до літер грецького алфавіту: Гамма, Бета, Альфа, Епсілон і Дельта. Найближчим часом після відкриття перших п'яти, у планети Уран виявилися ще чотири кільця, а пізніше, у 1984 році «Вояджер» знайшов ще два кільця, які також мали пряме відношення до планети. За допомогою телескопа «Хаббл» у 2005 році люди дізналися про існування ще двох останніх кілець, розташованих на дуже великій відстані від Урана.
Ось так і вийшла цифра тринадцять, нещаслива для забобонних людей, але для космічного простору не має ніякого значення. Що цікаво, ближні одинадцять кілець мають однаковий майже чорний відтінок, а далекі мають спектральні відмінності. Передостаннє кільце планети Уран – червоного кольору, а зовнішнє відливає у синьову. Швидше за все, тут справа у фарбуванні частинок льоду, що становлять основу цих утворень. Уламки льоду дуже різні у розмірах. Одні не перевищують кількох міліметрів, інші величезні до кілометра в діаметрі.