Почему Уран вращается на боку
Уран отличается от остальных планет Солнечной системы необычным положением оси вращения: она наклонена примерно на 98 градусов относительно перпендикуляра к плоскости орбиты. Поэтому планета выглядит так, словно лежит на боку и катится вокруг Солнца. Точная причина такого положения пока не установлена. Основная гипотеза связывает его с мощным столкновением на раннем этапе формирования Солнечной системы, но существуют и другие сценарии.
Насколько сильно наклонён Уран
Земная ось вращения отклонена примерно на 23,4 градуса. Этот наклон достаточно велик, чтобы на Земле возникали времена года, но наша планета всё равно вращается примерно «вертикально» относительно своей орбиты.
У наклон оси составляет 97,77 градуса. Его экватор поэтому расположен почти перпендикулярно экваторам большинства других планет.
Если смотреть на Солнечную систему со стороны, Земля, Марс, Юпитер и большинство других планет напоминают вращающиеся волчки. Уран больше похож на шар, который катится по своей орбите.
При этом он вращается довольно быстро. Один оборот вокруг оси занимает примерно 17 часов 14 минут. Современные измерения периода вращения Урана позволили уточнить этот показатель с высокой точностью.
Урану требуется около 84 земных лет, чтобы совершить полный оборот вокруг Солнца. Сочетание долгого года и почти горизонтальной оси создаёт климатический режим, которого нет ни на одной другой планете Солнечной системы.
Что могло опрокинуть целую планету
Планеты сформировались примерно 4,5 млрд лет назад из вещества протопланетного диска, окружавшего молодое Солнце. В ранней Солнечной системе существовало множество крупных тел, которые сталкивались, объединялись или выбрасывали друг друга на новые орбиты.
Подобные столкновения могли радикально менять планеты.
Наиболее известный пример — происхождение Луны. Одна из основных моделей предполагает, что молодая Земля столкнулась с крупным протопланетным телом, после чего часть выброшенного вещества образовала Луну.
Для Урана рассматривается похожий сценарий.
Молодая планета могла столкнуться с крупным протопланетным телом. Удар должен был передать ей огромный угловой момент и изменить направление оси вращения. В результате первоначально гораздо более вертикально вращавшийся Уран мог оказаться практически лежащим на боку.
Гипотеза гигантского столкновения хорошо объясняет сам большой наклон, но восстановить событие возрастом более четырёх миллиардов лет чрезвычайно сложно. Учёные не могут непосредственно увидеть столкновение и поэтому проверяют разные сценарии с помощью численного моделирования.
Современные модели показывают, что столкновение с телом массой в несколько масс Земли в принципе способно привести систему к состоянию, напоминающему современный Уран.
Почему столкновение должно было быть необычным
Просто сильно ударить планету недостаточно. Модель должна одновременно объяснить несколько наблюдаемых свойств системы.
У Урана существуют кольца и многочисленные спутники. Многие из основных спутников движутся примерно в той же наклонённой плоскости, что и экватор планеты.
Это важная подсказка.
Если бы уже сформировавшийся Уран просто внезапно опрокинулся, возник бы вопрос, почему вместе с ним оказалась наклонена значительная часть окружающей системы.
Один из возможных ответов состоит в том, что гигантское столкновение произошло достаточно рано. Выброшенное при ударе вещество могло сформировать диск вокруг наклонённого Урана, из которого затем образовалась часть его спутников.
Такие процессы исследуются с помощью гидродинамического моделирования столкновений. В частности, новые расчёты образования протоуранового диска показывают, что столкновение с телом примерно в три массы Земли может воспроизвести современное вращение планеты, хотя свойства возникшего диска сильно зависят от физической модели вещества.
Поэтому гигантское столкновение остаётся убедительным объяснением, но пока не является окончательно доказанной историей происхождения наклона Урана.
Возможно, столкновений было несколько
Существует и другой вариант: Уран мог получить нынешний наклон не в результате одного катастрофического удара, а после нескольких крупных столкновений.
Ранняя Солнечная система была значительно более хаотичной, чем сегодня. Орбиты молодых планет ещё менялись, а вокруг Солнца оставалось множество планетезималей и протопланет.
Несколько последовательных ударов могли постепенно изменить направление вращения Урана.
Такая модель позволяет избежать необходимости подбирать одно исключительно удачное столкновение. Но она тоже должна объяснить современное устройство спутников и колец.
Именно спутники являются своеобразной записью древней истории планеты. Их орбиты позволяют проверять, какие события могли произойти с Ураном миллиарды лет назад.
Сейчас система спутников продолжает уточняться: наблюдения «Джеймса Уэбба» позволили обнаружить ранее неизвестные небольшие луны, недоступные аппаратуре «Вояджера-2».
Есть гипотеза и без гигантского удара
Столкновение — не единственный механизм, способный изменить наклон планеты.
Ось вращения небесного тела может постепенно менять ориентацию под действием гравитации других объектов. Если частота такого движения входит в определённый резонанс с изменением орбиты, наклон способен существенно увеличиваться.
Для Урана предлагался сценарий, связанный с древним массивным спутником.
В такой модели вокруг молодой планеты обращалась крупная луна. Её гравитационное взаимодействие с Ураном и другими телами постепенно увеличивало наклон оси планеты. Затем орбита спутника стала нестабильной, и он мог столкнуться с Ураном.
Такой механизм потенциально позволяет получить очень большой наклон без первоначального столкновения планеты с отдельной крупной протопланетой.
Есть и модели, в которых существенную роль играют гравитационные взаимодействия между гигантскими планетами во время ранней перестройки Солнечной системы.
Поэтому правильнее говорить не о доказанной причине, а о нескольких конкурирующих сценариях. Гигантское столкновение остаётся наиболее известным и интуитивно понятным, но происхождение наклона Урана всё ещё исследуется.
Почему Уран вращается ещё и в обратную сторону
Наклон больше 90 градусов приводит к интересному следствию.
Если использовать принятую систему определения направления вращения, Уран считается планетой с ретроградным вращением. То есть он вращается в направлении, противоположном большинству планет Солнечной системы.
Таких планет две — Уран и Венера.
Но физически необычность Урана удобнее представлять именно как чрезвычайно большой наклон оси. Планета не просто «вращается назад»: её ось практически лежит в плоскости орбиты.
Это отличает Уран от Нептуна, который похож на него по размерам и составу, но имеет гораздо более обычный наклон оси — около 28 градусов.
Как наклон влияет на времена года
Самое заметное следствие необычной оси Урана — экстремальные сезоны.
Земной год длится примерно 365 суток, поэтому каждый сезон занимает несколько месяцев. Год на Уране продолжается около 84 земных лет.
Один сезон там длится примерно 21 земной год.
Около солнцестояния один из полюсов Урана оказывается обращён почти непосредственно к Солнцу. Пока планета движется по этой части орбиты, полярные области одного полушария годами получают солнечный свет, тогда как противоположные районы переживают очень долгую ночь.
Через половину уранического года ситуация меняется.
Когда в январе 1986 года «Вояджер-2» исследовал Уран, южная полярная область была направлена в сторону Солнца. С тех пор планета прошла значительную часть своей огромной орбиты, и теперь к Солнцу обращается северная сторона.
Сезонные изменения хорошо видны современным телескопам. На изображениях Урана появляется яркая полярная область, меняются облака и наблюдается атмосферная активность. Инфракрасные наблюдения колец, штормов и атмосферы Урана позволяют прослеживать эти изменения по мере движения планеты вокруг Солнца.
Почему Уран не становится очень горячим на освещённом полюсе
Можно предположить, что полюс, который десятилетиями обращён к Солнцу, должен сильно нагреваться.
Однако Уран находится примерно в 2,9 млрд километров от Солнца, или приблизительно в 19 раз дальше, чем Земля. Солнечный свет там значительно слабее.
Кроме того, атмосфера переносит энергию между различными областями планеты.
Уран остаётся одним из самых холодных миров Солнечной системы. В верхних слоях его атмосферы температура может опускаться примерно до −224 °C.
При этом представление о тепловом балансе планеты недавно изменилось. Ранее Уран считался необычным среди планет-гигантов из-за почти полного отсутствия внутреннего теплового потока, однако более продолжительные наблюдения показали, что Уран всё же выделяет собственное тепло.
Магнитное поле Урана наклонено ещё сложнее
Необычной осью вращения странности планеты не заканчиваются.
Магнитная ось Урана наклонена примерно на 60 градусов относительно оси вращения. Кроме того, центр магнитного поля значительно смещён относительно геометрического центра планеты.
На Земле географические и магнитные полюса расположены относительно близко друг к другу. У Урана геометрия намного сложнее.
Поскольку сама планета вращается практически на боку, её магнитосфера постоянно меняет ориентацию относительно солнечного ветра. За планетой формируется длинный магнитный хвост, структура которого закручивается вращением Урана.
Необычная геометрия влияет и на полярные сияния: они возникают не так, как на Земле, где зоны сияний расположены вокруг географических полюсов.
Почему учёные до сих пор не знают точного ответа
Уран очень далеко от Земли, а непосредственно исследовал его только один космический аппарат.
«Вояджер-2» прошёл мимо планеты 24 января 1986 года и приблизился примерно на 81 500 километров к верхушкам облаков. Это был быстрый пролёт, а не долговременная работа на орбите.
Получается, что большая часть наших непосредственных измерений Урана была сделана за несколько часов почти сорок лет назад.
Сегодня ситуацию значительно улучшают «Хаббл», «Джеймс Уэбб» и наземные обсерватории. Они исследуют атмосферу, кольца, спутники, магнитное поле и сезонные изменения, но не могут полностью заменить аппарат на орбите самой планеты.
Именно поэтому новая миссия к Урану рассматривается планетологами как один из важнейших проектов будущего исследования внешней Солнечной системы.
Измерения внутреннего строения, гравитационного поля, магнитосферы и состава спутников помогут проверить модели формирования Урана. А вместе с ними — приблизиться к ответу на вопрос, какое именно событие миллиарды лет назад заставило огромную планету лечь на бок.