Найхолодніша планета Сонячної системи. Історія досліджень Урана

На тлі решти планет-гігантів Сонячної системи Уран здається вкрай непоказним. І цьому є пояснення, адже на відміну від Нептуна він не надто гарний, не має таких же вражаючих кілець, як у Сатурна, або настільки значних супутників, які оточують Юпітер.

Але це дуже оманливе враження. Насправді Уран — чи не найнезвичніша та найбільш загадкова планета Сонячної системи, чимало таємниць якої усе ще чекають свого розкриття. І сьогодні поговоримо про неї.

Велике розширення Сонячної системи

Видима зоряна величина Урана коливається в діапазоні від 5,4 до 6,0. Це означає, що за ідеальних умов його можна побачити неозброєним оком як дуже тьмяну зірочку. У минулому, до епохи промислової революції, коли земна атмосфера була значно чистішою, без світлового забруднення неба зробити це було куди простіше, ніж зараз.

Звісно, багато століть поспіль люди бачили в нічному небі Уран, але він був занадто тьмяним, аби будь-хто запідозрив у ньому щось більше за звичайну зорю. Деякі вчені думають, що невеличка зоря, зазначена Гіппархом у його знаменитому зоряному каталозі, відповідає якраз Урану. Перше ж підтверджене спостереження планети датовано 1690 роком, коли астроном Джон Флемстид щонайменше шість разів спостерігав її у свій телескоп.

Напевне, читачі зараз запитають, чому ж тоді Флемстид не вважається першовідкривачем Урана? Річ у тім, що хоча астроном і спостерігав Уран, він не розпізнав у ньому планету і зареєстрував його як зорю 34 у сузір’ї Тельця. На таке рішення могла вплинути як недостатня збільшувальна здатність його телескопа, так і те, що вчені тієї епохи взагалі-то й не займалися пошуками планет. Було переконання, що Сонячна система закінчується на Сатурні.

Надалі ще кілька астрономів бачили Уран, але ніхто з них так і не розпізнав його справжню природу. Усе змінилося лише 1781 року, коли планету спостерігав Вільям Гершель. Він зрозумів, що це не зоря, однак відразу помилково класифікував об’єкт як комету. Це певною мірою демонструє силу інерції мислення вчених тієї епохи. Лише після серії подальших спостережень, виконаних як самим Гершелем, так і іншими астрономами, вчені дійшли висновку, що це не комета, а раніше не відома планета. Завдяки цьому відкриттю Сонячна система розширилася практично вдвічі — адже якщо Сатурн віддалений від Сонця приблизно на 9,5 а.о. (1,43 млрд км), то орбіта Урана пролягає на відстані 19,2 а.о. (2,87 млрд км).

Досить несподівано виникли проблеми з вибором імені для нової планети. Сам Гершель хотів назвати її Зіркою Георга на честь свого покровителя — короля Англії Георга III. Проте астрономічна спільнота загалом вельми прохолодно сприйняла таку ініціативу. Французький астроном Жозеф Лаланд запропонував назвати планету ім’ям її першовідкривача — Гершель. Розглядали варіанти Астрея і Нептун. Але в підсумку за сьомою планетою закріпилося найменування Уран. Тож запропоновану Гершелем назву “Зірка Георга” використовували лише у Великій Британії, утім, до середини XIX сторіччя Уран прижився і там.

Планета, що “котиться”

До моменту відкриття Урана наявність у планет супутників уже не здавалася чимось незвичайним, тож астрономи розпочали пошуки його компаньйонів. 1787 року на них чекав перший успіх, коли було знайдено два найбільших супутники планети — Титанію й Оберон. У 1851-му до них додалися Аріель і Умбріель.

Уран використовували і як своєрідного піддослідного задля перевірки тоді ще нового закону всесвітнього тяжіння. Вчених цікавило, чи дотримується він для планет, розташованих на великій відстані від Сонця. Десятиліття спостережень засвідчили, що Уран “сваволить” і переміщується небом не зовсім так, як мав би відповідно до теорії. Це змусило астрономів припустити, що в Сонячній системі є ще якась невідома планета, чия гравітація впливає на орбіту Урана, і вони заходилися її шукати.

Подальші спостереження з’ясували ще одну незвичайну особливість планети. Виявилося, що площина екватора Урана нахилена до площини його орбіти під кутом понад 90º. Тобто, планета обертається ретроградно, в положенні “лежачи на боці злегка вниз головою”. Отже, якщо інші планети зазвичай схожі на дзиґу, що обертається, то Уран радше нагадує кулю, що котиться.

На планеті через таку особливість — вельми незвичайна зміна сезонів. Швидке змінювання дня і ночі відбувається лише на екваторі, до того ж Сонце там розташоване дуже низько над горизонтом (як у земних полярних широтах). Що ж до полюсів, то один із них кожні 42 земні роки ховається в темряві, тоді як інший 42 роки постійно освітлений Сонцем. Далі вони міняються місцями.

Щодо фізичних характеристик планети вдалося встановити, що Уран у чотири рази більший і в 14,5 разів масивніший за Землю. Іншими словами, він є четвертою за масою планетою Сонячної системи. До початку космічної ери вважали, що своєю внутрішньою будовою Уран схожий на Юпітер з Сатурном, і переважно складається з водню та гелію.

Останнє важливе відкриття, зроблене до того, як Уран відвідав земний посланець, відбулося 1977 року. Виявилося, що у планети є кільця. Це з’ясувалося випадково. Астрономи спостерігали за покриттям Ураном фонової зорі (таким чином вони хотіли вивчити його атмосферу). Однак незадовго до і відразу після покриття вони помітили ослаблення блиску зорі — це свідчило про те, що у планети є кільця. Відтак цікаво зауважити, що ще 1789 року Вільям Гершель оголосив про спостереження кілець Урана. Але з огляду на їхню тьмяність більшість учених усе ж пояснювали цю заяву помилкою вченого.

Візит Voyager 2

Донині лише один космічний апарат навідався до Урана — 1986 року Voyager 2 здійснив близький проліт сьомої планети. Цього візиту могло й не бути, адже спочатку план польоту Voyager 2 передбачав відвідування лише Юпітера із Сатурном. На щастя, NASA розсудливо заклала в траєкторію польоту зонда можливість його подальшої відправки до Урана і Нептуна. І вже після його запуску аерокосмічній адміністрації вдалося домогтися виділення додаткового фінансування, що уможливило продовження захоплюючої подорожі.

Історичний проліт Урана відбувся 24 січня 1986 року. Voyager 2 пройшов на висоті 81 000 км над верхівками його хмар. На вигляд сьома планета виявилася абсолютно невиразною. Voyager 2 не побачив там ані характерних смуг в атмосфері, ані великих штормів — лише кілька яскравих хмаринок.

Як відомо, зовнішність буває оманливою. Так, візуально Уран не справив особливого враження, але його хмарний покрив приховував безліч сюрпризів.

Найважливішим відкриттям стало те, що своєю будовою Уран значно відрізняється від Юпітера і Сатурна. 90% маси цих планет припадає на водень і гелій. Однак на Урані з водню та гелію складається лише атмосфера, а під нею — крижана мантія з суміші води, аміаку, метану, сірководню та інших речовин. У центрі неї розташовується кам’яне ядро. Через ці особливості астрономи пізніше ухвалили рішення виділити Уран в окрему підкатегорію під назвою “крижані гіганти”.

Інший сюрприз подарувало магнітне поле Урана. До візиту Voyager 2 астрономи не знали, чи є воно у планети. Апарат підтвердив його існування. Проте виявилося, що воно дуже незвичайне і зовсім не схоже на магнітосфери інших планет. Річ у тім, що магнітне поле Урана не спрямоване з геометричного центру планети, а зміщене від нього приблизно на третину її радіуса. Через це положення магнітних полюсів Урана абсолютно не збігається з географічними. Саме магнітне поле вкрай асиметричне. Його потужність на полюсах різниться на порядок.

Ще одним сюрпризом стало, що Уран випускає напрочуд мало тепла. Зараз ми знаємо, що він навіть холодніший за Нептун, що робить його найхолоднішою планетою Сонячної системи. Найнижча зафіксована температура на планеті становить -224 °C. Головною причиною таких екстремальних умов, очевидно, є вже згадані довгі полярні ночі, коли деякі ділянки Урана понад 40 років не бачать сонячного світла.

Voyager 2 сфотографував усі великі супутники Урана (а також знайшов десять раніше невідомих місяців) і його кільця. Виявилося, що останні складаються з дуже темної речовини. Імовірно, кільця Урана утворилися внаслідок руйнування одного з його супутників.

Що стосується місяців Урана, найбільший інтерес викликала Міранда. Попри відносно невеликі розміри, її поверхня — це дивовижна мозаїка з вельми різноманітних зон, де можна знайти абсолютно все: поцятковані глибокими каньйонами великі рівнини, величезні розломи і тріщини, долини, кратери різних форм, хребти, поглиблення, скелі та тераси. Одна з основних визначних пам’яток супутника — гігантський уступ Верона, висота якого становить до 20 км, тобто він є найвищою подібною структурою в Сонячній системі. Якщо стрибнути з його вершини, політ униз триватиме близько 12 хвилин — такий стрибок продемонстрували у відомій короткометражці Wanderers.

На думку астрономів, настільки багата геологія Міранди пов’язана з тим, що вона колись розбилася на кілька частин під час потужного зіткнення, а потім “зібралася” заново на орбіті. Зіткненням часто пояснюють і аномальний нахил орбіти Урана — розрахунки свідчать, що для цього знадобилося б тіло розміром приблизно як Земля. Сам удар, найімовірніше, стався на світанку Сонячної системи, коли вік планети не перевищував мільярда років.

Майбутнє вивчення Урана

Як ми вже писали, Voyager 2 донині є єдиним земним посланцем, який досліджував Уран із близької відстані. Після 1986 року астрономи можуть вивчати планету лише дистанційно — в телескопи або за допомогою зонда New Horizons. Останній хоча і розташований на дуже великій відстані від Урана, але здатен спостерігати його з недоступних для земних обсерваторій ракурсів.

Нескладно здогадатися, що далеко не всіх учених тішить наявний стан справ. Зрозуміло, Voyager 2 дозволив зробити низку цікавих відкриттів, та насправді апарат забезпечив лише швидкий погляд на планету. Адже тільки уявіть-но, на момент його запуску навіть не було відомо, наскільки кардинально Уран відрізняється від Юпітера з Сатурном! Звичайно, дослідники воліли б дізнатися більше про його внутрішню будову, дивний погодний цикл і магнітне поле. Великі місяці Урана також становлять значний інтерес, оскільки вони цілком можуть нагадувати Європу і Енцелад. Не виключено, що під їхніми поверхнями ховаються океани, де є умови для існування життя.

Дослідження Урана важливі й для астрономів, які спеціалізуються на вивченні екзопланет. Річ у тім, що багато вже знайдених позасонячних світів за своїми фізичними характеристиками схожі на сьому планету. Тож новий погляд на Уран може забезпечити краще розуміння побудови таких світів.

З огляду на все це не дивно, що в XXI була розроблена низка проєктів нових місій, метою яких могла б стати сьома планета. Однак всі вони так і залишилися на папері через відсутність необхідного фінансування.

Проте вчені не поступаються. В опублікованому 2022 року декадному огляді в галузі планетології (підготовленому Національною дослідницькою радою при Національних академіях наук США) місія до Урана посідає одне з перших місць у списку американських наукових пріоритетів на найближче десятиліття.

Наразі NASA опрацьовує концепт місії Uranus Orbiter and Probe, у межах якої до Урана буде відправлено орбітальний апарат і атмосферний зонд. Оптимальною датою для запуску такої місії називають 2031-2032 роки, оскільки в такому разі вона досягне Урана до 2044 року. Однак цим планам можуть завадити як уже згадані проблеми з фінансуванням, так і брак у NASA плутонію-238, який знадобиться для енергозабезпечення апарата.

Проєкт місії до Урана має також і Китай. Ідеться про 100-кілограмовий зонд, який планується запустити разом з апаратом “Тяньвень-4” 2030 року. Йому належить здійснити проліт Урана в 2036-му.

З огляду на сказане вище очевидно, що охочим знову побачити Уран доведеться запастися не тільки терпінням, а й міцним здоров’ям. І сподіватися, що роботу над новою місією до найхолоднішої планети доведуть до кінця. Адже немає підстав сумніватися, що вона ховає ще безліч таємниць і сюрпризів, які чекають, коли їх хтось виявить.