Самая холодная планета Солнечной системы. История исследований Урана

На фоне остальных планет-гигантов Солнечной системы Уран кажется крайне невзрачным. И этому есть объяснение, ведь в отличие от Нептуна он не столь красив, не имеет таких впечатляющих колец, как Сатурн, либо настолько внушительных спутников, какими обзавелся Юпитер.

Но это весьма обманчивое впечатление. В реальности Уран — едва ли не самая необычная и интригующая планета Солнечной системы, многие загадки которой еще предстоит раскрыть. И сегодня поговорим о ней.

Великое расширение Солнечной системы

Видимая звездная величина Урана колеблется в диапазоне от 5,4 до 6,0. Это значит, что при идеальных условиях его можно увидеть невооруженным глазом как очень тусклую звездочку. В прошлом, до эпохи промышленной революции, когда земная атмосфера была куда чище, без светового загрязнения неба сделать это было намного проще, нежели сейчас.

Разумеется, много веков подряд люди видели в ночном небе Уран, но он был слишком тусклым, чтобы кто-либо заподозрил в нем нечто большее, чем обычную звезду. Некоторые ученые полагают, что небольшая звездочка, занесенная Гиппархом в его знаменитый звездный каталог, соответствует как раз Урану. Первое же подтвержденное наблюдение планеты датировано 1690 годом, когда астроном Джон Флемстид по меньшей мере шесть раз наблюдал ее в свой телескоп.

Наверняка читатели сейчас поинтересуются, почему же тогда Флемстид не считается первооткрывателем Урана? Дело в том, что хотя астроном и наблюдал Уран, он не распознал в нем планету и зарегистрировал его как звезду 34 в созвездии Тельца. На такое решение могла повлиять как недостаточная увеличительная способность его телескопа, так и то, что ученые той эпохи вообще-то и не занимались поисками планет. Предполагалось, что Солнечная система заканчивается на Сатурне.

В дальнейшем еще несколько астрономов видели Уран, но никто из них так и не распознал его истинную природу. Все изменилось лишь в 1781 году, когда планету наблюдал Уильям Гершель. Он понял, что это не звезда, но изначально ошибочно классифицировал объект как комету. Это в определенной степени демонстрирует силу инерции мышления ученых той эпохи. Лишь после серии последующих наблюдений, выполненных как самим Гершелем, так и другими астрономами, ученые пришли к выводу, что это не комета, а ранее неизвестная планета. Благодаря этому открытию Солнечная система расширилась практически вдвое — ведь если Сатурн удален от Солнца примерно на 9,5 а.е. (1,43 млрд км), то орбита Урана пролегает на расстоянии 19,2 а.е. (2,87 млрд км).

Довольно неожиданно возникли проблемы с выбором имени для новой планеты. Сам Гершель хотел назвать ее Звездой Георга в честь своего покровителя — короля Англии Георга III. Но астрономическое сообщество в целом весьма прохладно отреагировало на подобную инициативу. Французский астроном Жозеф Лаланд предложил назвать планету именем ее первооткрывателя — Гершель. Рассматривались варианты Астрея и Нептун. Но в итоге за седьмой планетой закрепилось наименование Уран. Так что предложенное Гершелем название «Звезда Георга» использовалось лишь в Великобритании, впрочем, к середине XIX века Уран прижился и там.

«Катящаяся» планета

К моменту открытия Урана наличие у планет спутников уже не казалось чем-то необычным, и астрономы приступили к поискам его компаньонов. В 1787 году их ждал первый успех, когда были найдены два крупнейших спутника планеты — Титания и Оберон. В 1851-м к ним добавились Ариэль и Умбриэль.

Уран использовали и в качестве своеобразного подопытного для проверки тогда еще нового закона всемирного тяготения. Ученых интересовало, соблюдается ли он для планет, расположенных на большом расстоянии от Солнца. Десятилетия наблюдений показали, что Уран «своевольничает» и перемещается по небу не совсем так, как должен был бы в соответствии с теорией. Это натолкнуло астрономов на мысль, что в Солнечной системе есть еще какая-то неизвестная планета, чья гравитация влияет на орбиту Урана, и они принялись ее искать.

Последующие наблюдения выявили еще одну необычную особенность планеты. Оказалось, что плоскость экватора Урана наклонена к плоскости его орбиты под углом свыше 90^º. То есть, планета вращается ретроградно, в положении «лежа на боку слегка вниз головой». Следовательно, если другие планеты обычно похожи на вращающийся волчок, то Уран скорее напоминает катящийся шар.

На планете ввиду такой особенности — очень необычная смена сезонов. Быстро день сменяет ночь лишь на экваторе, при этом Солнце там расположено сильно низко над горизонтом (как в земных полярных широтах). Что касается полюсов, то один из них каждые 42 земных года прячется в темноте, в то время как другой 42 года постоянно освещен Солнцем. Далее они меняются местами.

Относительно физических характеристик планеты удалось установить, что Уран в четыре раза больше и в 14,5 раза массивнее Земли. Иными словами, он является четвертой по массе планетой Солнечной системы. До начала космической эры считалось, что своим внутренним строением Уран похож на Юпитер с Сатурном, и в основном состоит из водорода и гелия.

Последнее важное открытие, сделанное до того, как Уран навестил земной посланец, состоялось в 1977 году. Оказалось, что у планеты есть кольца. Это выяснилось случайно. Астрономы наблюдали за покрытием Ураном фоновой звезды (таким образом они хотели изучить его атмосферу). Однако незадолго до и сразу после покрытия они заметили ослабление блеска звезды, свидетельствующее о том, что у планеты есть кольца. В этой связи любопытно, что еще в 1789 году Уильям Гершель заявил про обнаружение колец Урана. Но учитывая их тусклость, большинство ученых все же списывали это сообщение на ошибку ученого.

Визит Voyager 2

По сей день лишь один космический аппарат навестил Уран — в 1986 году Voyager 2 осуществил близкий пролет седьмой планеты. Этого визита могло и не быть, ведь изначально план полета Voyager 2 предполагал посещение только Юпитера с Сатурном. К счастью, NASA благоразумно заложила в траекторию полета зонда возможность его последующей отправки к Урану и Нептуну. И уже после его запуска аэрокосмической администрации удалось добиться выделения дополнительного финансирования, сделавшего возможным продолжение увлекательного путешествия.

Исторический пролет Урана состоялся 24 января 1986 года. Voyager 2 прошел на высоте в 81 000 км от верхушек его облаков. На вид седьмая планета оказалась совершенно невыразительной. Voyager 2 не обнаружил там ни характерных полос в атмосфере, ни крупных штормов — лишь несколько ярких облачков.

Как известно, внешность бывает обманчива. Да, визуально Уран не произвел особого впечатления, но его облачный покров скрывал множество сюрпризов.

Наиболее важным открытием стало то, что своим строением Уран значительно отличается от Юпитера и Сатурна. 90% массы этих планет приходится на водород и гелий. Однако на Уране из водорода и гелия состоит лишь атмосфера, а под ней — ледяная мантия из смеси воды, аммиака, метана, сероводорода и других веществ. В центре нее располагается каменное ядро. Ввиду этих особенностей астрономы позже приняли решение выделить Уран в отдельную подкатегорию под названием «ледяные гиганты».

Другой сюрприз преподнесло магнитное поле Урана. До визита Voyager 2 астрономы не знали, есть ли оно у планеты. Аппарат подтвердил его существование. Но оказалось, что оно очень необычное и совсем не похоже на магнитосферы других планет. Дело в том, что магнитное поле Урана не направлено из геометрического центра планеты, а смещено от него примерно на треть ее радиуса. Из-за этого положение магнитных полюсов Урана совершенно не совпадает с географическими. Само магнитное поле крайне асимметрично. Его мощность на полюсах различается на порядок.

Еще одним сюрпризом стало, что Уран испускает на удивление мало тепла. Сейчас мы знаем, что он даже холоднее Нептуна, что делает его самой холодной планетой Солнечной системы. Самая низкая зафиксированная температура на планете составляет -224 °C. Главной причиной столь экстремальных условий, по всей видимости, являются уже упомянутые длинные полярные ночи, когда некоторые участки Урана свыше 40 лет не видят солнечного света.

Voyager 2 сфотографировал все крупные спутники Урана (а также нашел десять ранее неизвестных лун) и его кольца. Оказалось, что последние состоят из очень темного вещества. Предположительно, кольца Урана образовались в результате разрушения одного из его спутников.

Что касается лун Урана, наибольший интерес вызвала Миранда. Несмотря на относительно небольшие размеры, ее поверхность представляет собой удивительную мозаику из весьма разнообразных зон, где можно найти абсолютно все: испещренные глубокими каньонами обширные равнины, огромные разломы и трещины, долины, кратеры различных форм, хребты, углубления, скалы и террасы. Одна из основных достопримечательностей спутника — гигантский уступ Верона, высота которого составляет до 20 км, то есть он является самой высокой подобной структурой в Солнечной системе. Если спрыгнуть с его вершины, полет вниз будет длиться порядка 12 минут — подобный прыжок продемонстрировали в известной короткометражке Wanderers.

По мнению астрономов, столь богатая геология Миранды связана с тем, что она когда-то разбилась на несколько частей в ходе мощного столкновения, а затем «собралась» заново на орбите. Столкновением часто объясняют и аномальный наклон орбиты Урана — расчеты показывают, что для этого потребовалось бы тело размером примерно с Землю. Сам удар, по всей видимости, произошел на заре Солнечной системы, когда возраст планеты не превышал миллиарда лет.

Будущее изучение Урана

Как мы написали выше, Voyager 2 по сей день является единственным земным посланцем, исследовавшим Уран с близкого расстояния. После 1986 года астрономы могут изучать планету лишь дистанционно — в телескопы или посредством зонда New Horizons. Последний хотя и расположен на очень большом расстоянии от Урана, но способен наблюдать его с недоступных для земных обсерваторий ракурсов.

Несложно догадаться, что далеко не всех ученых радует настоящее положение дел. Несомненно, Voyager 2 позволил совершить ряд интересных открытий, но, по сути, аппарат обеспечил лишь быстрый взгляд на планету. Шутка ли, на момент его запуска даже не было известно, насколько сильно Уран не похож на Юпитер и Сатурн! Конечно, исследователям хотелось бы узнать побольше о его внутреннем строении, странном погодном цикле и магнитном поле. Крупные луны Урана также представляют значительный интерес, ведь они вполне могут напоминать Европу и Энцелад. Не исключено, что под их поверхностями скрываются океаны, где имеются условия для существования жизни.

Исследования Урана важны и для астрономов, специализирующихся на изучении экзопланет. Дело в том, что многие уже найденные внесолнечные миры по своим физическим характеристикам походят на седьмую планету. Так что новый взгляд на Уран может обеспечить лучшее понимание устройства таких миров.

Учитывая все это, неудивительно, что в XXI был разработан ряд проектов новых миссий, целью которых могла бы стать седьмая планета. Но все они так и остались на бумаге из-за отсутствия необходимого финансирования.

Тем не менее, ученые не сдаются. В опубликованном в 2022 году декадном обзоре в области планетологии (подготовленном Национальным исследовательским советом при Национальных академиях наук США) миссия к Урану заняла одно из первых мест в списке американских научных приоритетов на ближайшее десятилетие.

На данный момент NASA занимается проработкой концепта миссии Uranus Orbiter and Probe, в рамках которой к Урану будет отправлен орбитальный аппарат и атмосферный зонд. Оптимальной датой для запуска такой миссии называют 2031-2032 годы, ведь в таком случае она достигнет Урана к 2044 году. Однако этим планам могут помешать как уже упомянутые проблемы с финансированием, так и нехватка у NASA плутония-238, который потребуется для энергообеспечения аппарата.

Проект миссии к Урану есть также и у Китая. Речь о 100-килограммовом зонде, который планируется запустить вместе с аппаратом «Тяньвэнь-4» в 2030 году. Он должен будет совершить пролет Урана в 2036-м.

Исходя из вышесказанного, очевидно, что желающим вновь увидеть Уран придется запастись не только терпением, но и крепким здоровьем. И надеяться, что работа над новой миссией к самой холодной планете будет доведена до конца. Нет ни малейших оснований сомневаться в том, что она таит еще множество тайн и сюрпризов, ждущих, когда их кто-то обнаружит.