Причём Нептун мог переместиться на нынешнюю орбиту из более близкой к Солнцу области Уран и Нептун, которые считают почти близнецами, могли пройти разные пути формирования. К такому выводу пришла международная группа учёных, сопоставив содержание угарного газа в верхних слоях атмосфер обеих планет с расчётами их глубинного химического состава и моделью эволюции протопланетного диска — облака газа и пыли вокруг молодого Солнца. Результаты указывают, что строительный материал Нептуна мог сформироваться ближе к Солнцу, после чего планета переместилась на нынешнюю орбиту. Определить состав глубинных слоёв ледяных гигантов напрямую сегодня невозможно. Обе планеты вблизи наблюдал только один космический аппарат — «Вояджер-2»: он пролетел мимо Урана в 1986 году, а мимо Нептуна в 1989-м. Инфракрасные наблюдения позволяют изучать лишь верхние слои атмосферы, а даже спускаемый аппарат будущей миссии Uranus Orbiter and Probe (орбитальный аппарат и атмосферный зонд Урана) сможет добраться примерно до уровня давления 10 бар. Облака, за которыми скрываются более глубокие слои, могут находиться на глубинах, соответствующих давлению в сотни бар. Поэтому содержание ключевых элементов приходится восстанавливать косвенно. Для этого учёные ориентировались на угарный газ (CO), обнаруженный в верхней тропосфере обеих планет. В глубине атмосферы при высоких температурах CO участвует в химических реакциях с водой, а затем переносится вверх потоками газа. По мере подъёма температура падает, химические реакции замедляются и состав газа перестаёт соответствовать равновесию. Сопоставляя концентрацию CO в верхней тропосфере с моделями химических реакций и переноса вещества, можно оценить, сколько кислорода должно находиться в глубине. Для Урана исходным измерением послужила концентрация около 5,6 миллиардной доли по объёму, полученная с помощью радиотелескопа ALMA. На Нептуне она составляет примерно 200 миллиардных долей — почти в 36 раз больше. Источник изображения: сгенерировано Muse Расчёты показали, что при учёте широтных различий в перемешивании атмосферы содержание кислорода относительно водорода в глубинных слоях Урана составляет 62–177 солнечного уровня, а Нептуна — 222–342 солнечных уровня. Иными словами, согласно этой оценке Нептун заметно богаче кислородом. Важную роль играет коэффициент вихревой диффузии — параметр, описывающий эффективность переноса вещества между слоями атмосферы. Если учитывать его изменение с широтой и глубиной, то диапазоны содержания кислорода существенно расширяются по сравнению с расчётами, в которых перемешивание считается постоянным. Неопределённость скоростей химических реакций влияет на результат слабее: примерно на 10% для Урана и на 5% для Нептуна. При этом для Урана эта неопределённость превышает погрешность самого измерения концентрации CO. Затем учёные рассчитали отношение углерода к кислороду (C/O) и сравнили его с моделью протопланетного диска, учитывающей перенос пыли, испарение, конденсацию и образование ледяных частиц. Для Урана отношение C/O составило 0,06–0,52, а для Нептуна — 0,02–0,12. Солнечное значение находится примерно на уровне 0,5. Верхняя часть диапазона Урана близка к нему, тогда как весь диапазон Нептуна заметно ниже. В модели это различие объясняется тем, что состав твёрдых частиц в диске менялся с расстоянием от Солнца: вода, метан и угарный газ замерзали при разных условиях, по-разному распределяя углерод и кислород между льдом и газом. Низкое отношение C/O у Нептуна согласуется со сценарием, при котором его строительные блоки сформировались вблизи линии водяного льда — области диска, где вода начинает преимущественно переходить в твёрдую фазу. В таком материале много водяного льда, тогда как значительная часть углерода остаётся в газе и хуже включается в растущую планету. Чтобы объяснить нынешнее положение Нептуна, этот сценарий предполагает последующую миграцию наружу. Для Урана низкое отношение C/O, в свою очередь, могло бы соответствовать материалу, сформировавшемуся внутри линии метанового льда, где метан в меньшей степени представлен в твёрдой фазе. Однако верхняя граница полученного для Урана диапазона согласуется и с составом материала на его нынешнем орбитальном расстоянии. Поэтому результаты не устанавливают единственную историю формирования обеих планет: диапазоны частично перекрываются, а расчёты зависят от модели атмосферного перемешивания и условий в древнем диске. Авторы подчёркивают, что ключевая неопределённость связана с тем, насколько эффективно вещество перемешивается в глубине атмосфер. Вращение планет и конденсация льда могут подавлять конвекцию, поэтому оценки, полученные на разных широтах, не обязательно отражают реальные различия в общем составе планет. Будущие измерения непосредственно в атмосфере Урана, особенно вблизи экватора, где вертикальное перемешивание предположительно эффективнее, помогут проверить расчёты. Это важно не только для понимания «местных» ледяных гигантов: планеты сопоставимого размера широко распространены у других звёзд, и уточнение условий формирования Урана и Нептуна поможет интерпретировать состав и происхождение подобных экзопланет.