Уран (планета)

Ура́н — сьома від Сонця велика планета Сонячної системи, що належить до газових гігантів. Діаметр Урана в 4 рази більший за Землю, а його маса — в 14,5 раза більша за земну, що робить його третьою за діаметром і четвертою за масою планетою Сонячної системи.

Уран став першою планетою, відкритою у Новий час і за допомогою телескопа. Про відкриття Урана англійський астроном Вільям Гершель повідомив 13 березня 1781 року, тим самим уперше з часів Античності розширивши межі Сонячної системи. Хоча деколи Уран помітний неозброєним оком, ранні спостерігачі ніколи не визнавали Уран за планету через його тьмяність та повільний рух орбітою. Планета названа ім'ям античного божества Урана, уособлення неба та піднебесного простору.

На відміну від інших газових гігантів Сатурна та Юпітера, які складаються переважно з водню і гелію, у надрах Урана та схожого з ним Нептуна відсутній металічний водень. Проте в них є багато високотемпературних модифікацій льоду — з цієї причини фахівці виділили ці дві планети в окрему категорію «крижаних гігантів». Зокрема, надра Урана складаються здебільшого з льодів і гірських порід.

Основу атмосфери Урана складають водень і гелій. Крім того, у ній виявлені сліди метану та інших вуглеводнів, а також хмари з льоду, твердого аміаку та водню. Уран має найхолоднішу планетарну атмосферу в Сонячній системі з мінімальною температурою 49 К (−224 °C). Вважається, що Уран має складну шарувату структуру хмар, де водяна пара складає нижній шар, а метан — верхній.

Як й інші газові гіганти Сонячної системи, Уран має систему кілець та магнітосферу. Крім того, навколо нього обертаються 27 супутників. Орієнтація Урана в просторі відрізняється від інших планет Сонячної системи — його вісь обертання лежить ніби на боці відносно площини обертання навколо Сонця. Унаслідок цього планета буває оберненою до Сонця то північним полюсом, то південним, то екватором, то середніми широтами.

У 1986 році американський космічний апарат «Вояджер-2» передав на Землю знімки Урана, які він зробив, пролітаючи на відстані 81 500 кілометрів від планети.

Історія відкриття Урана Протягом багатьох сторіч астрономи Землі знали тільки п'ять «мандрівних зірок» — планет. Вільям Гершель, який взявся до реалізації грандіозної програми упорядкування повного систематичного каталогу зоряного неба, 13 березня 1781 року помітив поблизу однієї із зірок сузір'я Близнят цікавий об'єкт, який, вочевидь, не був зорею: його видимі розміри змінювалися залежно від збільшення телескопа, а найголовніше — змінювалося його розташування на небі. Гершель спочатку вирішив, що відкрив нову комету (його доповідь на засіданні Королівського товариства 26 квітня 1781 року так і називалася — «Повідомлення про комету»), але від кометної гіпотези незабаром довелося відмовитися.

Перші нечисленні спостереження ще не давали змоги досить точно визначити параметри орбіти нової планети. Але, по-перше, кількість цих спостережень швидко збільшувалося, а по-друге, ретельне дослідження каталогів минулих спостережень дало змогу переконатися, що планета неодноразово фіксувалася й раніше, проте її вважали зорею, що також помітно збільшувало число спостережень. Так, можливо, найбільш раннім спостереженням Урана було спостереження, зроблене Гіппархом, який у 128 році до н. е. міг записати його у своєму зоряному каталозі як зорю, що потім був включений в «Альмагест» Птолемея. Перше однозначне спостереження відбулося в 1690 році, коли Джон Флемстид спостерігав Уран щонайменше шість разів, вносячи його в каталог як 34 Tauri. Французький астроном () спостерігав планету щонайменше 12 разів між 1750 і 1769 роками, зокрема чотири ночі поспіль.

Невдовзі після відкриття Урана, з підвищенням точності спостережень, астрономи звернули увагу на загадкові аномалії в русі планети: він то відставав від розрахованого положення на своїй орбіті, то випереджав його. Теоретичне пояснення цих аномалій призвело до нової знахідки — відкриття Нептуна.

Назва Англійський астроном Невіль Маскелін написав Гершелю лист, у якому попросив його зробити послугу астрономічному співтовариству і дати назву планеті, відкриття якої — цілком його заслугаRAS MSS Herschel W.1/12.M, 20, quoted in Miner p. 12. У відповідь Гершель запропонував назвати планету «зорею Георга» () або «планетою Георга» на честь короля Георга III, який призначив Гершеля королівським астрономом . Французький астроном Жозеф Лаланд запропонував назвати планету Гершелем на честь її першовідкривача. Німецький астроном Йоганн Боде першим з учених висунув пропозицію назвати планету Ураном, на честь бога неба з грецького пантеону. Він висунув такий аргумент: «позаяк Сатурн був батьком Юпітера, то нову планету слід назвати іменем батька Сатурна» . Назву «Уран» вперше вжито в публікації 1823 року, через рік після смерті Гершеля. Вона закріпилася після публікації Морського альманаху 1850 року.

Орбіта та обертання Уран рухається навколо Сонця майже круговою орбітою (ексцентриситет орбіти 0,047), середня відстань від Сонця у 19 разів більша, ніж у Землі, і становить 2871 млн км, або ж 20 астрономічних одиниць (а. о.). Різниця між максимальною й мінімальною відстанню до Сонця складає 1,8 а. о. Площина орбіти нахилена до екліптики під кутом 0,8°. Один оберт навколо Сонця Уран здійснює за 84,01 земного року. З моменту відкриття планета робить третій повний оберт, який закінчиться у 2031 році. Період власного обертання Урана становить 17 годин 14 хвилин. Як і в інших планет-гігантів, у верхній атмосфері планети присутні сильні вітри, направлені в сторону обертання. На деяких широтах, зокрема вище 60° в південній півкулі, видимі особливості атмосфери обертаються набагато швидше, роблячи повний оберт лише за 14 годин .

Елементи орбіти Урана обчислив П'єр-Симон Лаплас в 1783 році. З часом почали накопичуватися розбіжності між розрахованою орбітою і спостереженнями, тож в 1841 році Джон Адамс запропонував пояснити цей факт гравітаційним впливом ще не відкритої планети. Урбан Левер'є в 1845 році теоретично розрахував положення нової планети на основі збурень орбіти Урана, а в 1846 році Нептун був відкритий Йоганном Ґалле поблизу передбачених Левер'є координат.

Нахил осі обертання Обертання Урана має низку відмінних рис: вісь його обертання майже паралельна до площини орбіти (площина екватора нахилена під кутом 98° до площини орбіти), а напрямок обертання зворотний напрямку обертання навколо Сонця (з усіх інших планет зворотний напрямок обертання спостерігається тільки у Венери). Перший факт призводить до того, що майже на всій планеті немає добової зміни дня і ночі. І на полюсах, якими планета почергово повертається до Сонця, і на більшості широт день і ніч змінюється посезонно, триваючи приблизно по 42 роки. Лише на вузькій смузі навколо екватора день і ніч змінюють одне одного з обертанням планети навколо своєї осі . Причина такого нахилу осі до екліптичної площини невідома, одна з гіпотез говорить про можливе зіткнення Урана з тілом, можливо, масивнішим за Землю ще на етапі формування планет.

Фізичні характеристики Уран належить до числа планет-гігантів: його екваторіальний радіус (25 600 км) майже вчетверо більший, а маса (8,7·1025 кг) — у 14,6 раза більша, ніж у Землі. Середня густина Урана , що у 4,38 раза менше, ніж густина Землі. Це робить його передостанньою на густиною планетою після Сатурна. Порівняно мала густина типова для планет-гігантів: у процесі формування з газопилової протопланетної хмари найлегші компоненти (водень та гелій) стали для них основним «будівельним матеріалом», у той час як планети земної групи значною мірою їх втратили й тому мають помітно більшу частку важчих елементів.

Склад і внутрішня будова Подібно до інших планет-гігантів, атмосфера планети Урана складається переважно з водню, гелію та метану, хоча їхні частки дещо нижчі порівняно з Юпітером і Сатурном.

Теоретична модель будови Урана така: його поверхневий шар є газорідкою оболонкою, під якою розташована крижана мантія (суміш водяного й аміачного льоду), а ще глибше — ядро з твердих порід. Маса мантії та ядра становить приблизно 85—90 % усієї маси Урана. Зона твердої речовини сягає 3/4 радіуса планети.

Температура в центрі Урана — близько 10 000 °C, тиск 7—8 млн бар. На межі ядра тиск приблизно на два порядки нижчий. Ефективна температура умовної поверхні, визначена за тепловим випромінюванням з поверхні планети, становить близько 55 К.

Внутрішня будова

Попри те, що радіус Урана трохи більший за радіус Нептуна, його маса дещо менша, що свідчить на користь гіпотези, згідно з якою він складається переважно з різних льодів — водного, аміачного і метанового. Їхня маса, за різними оцінками, становить від 9,3 до 13,5 земної маси. Водень і гелій складають лише малу частину від загальної маси (між 0,5 і 1,5 земної маси); інша частка (0,5—3,7 земної маси) припадає на гірські породи, які, як вважають, становлять ядро планети.

Стандартна модель Урана припускає, що Уран складається з трьох частин: у центрі — кам'яне ядро, у середині — крижана оболонка, зовні — воднево-гелієва атмосфера. Ядро є відносно маленьким, з масою приблизно від 0,55 до 3,7 земної маси і з радіусом у 20 % від радіуса всієї планети. Мантія (льоди) складає велику частину планети (60 % від загального радіуса, до 13,5 земних мас). Атмосфера масою, що становить всього 0,5 земних мас (або, за іншими оцінками, 1,5 земної маси), простягається на 20 % радіуса Урана. У центрі Урана густина повинна підвищуватися до . Тиск на межі ядра і мантії має досягати 8 млн бар (800 ГПа) за температури в 5000 К. Крижана оболонка фактично не є крижаною в загальноприйнятому розумінні цього слова, тому що складається з гарячої та щільної рідини, що є сумішшю води, аміаку й метану.

Цю рідину, що має високу електропровідність, іноді називають «океаном водного аміаку». Склад Урана й Нептуна сильно відрізняється від складу Юпітера й Сатурна завдяки «кригам», що переважають над газами, виправдовуючи віднесення Урана і Нептуна до категорії крижаних гігантів.

На початку 2023 року вчені також повідомили про виявлення дивного і непоясненого сигналу десятирічної давнини, який може вказувати на існування прихованих океанів на Урані. Сигнал був виявлений дослідниками, які вивчали десятирічні дані космічного апарата НАСА «Вояджер-2», що пролетів повз Уран у 1986 році. За словами дослідницької групи, сигнал, про який йдеться, є «коливанням» магнітного поля Урана. Це коливання, яке спостерігав «Вояджер-2», вказує на те, що під крижаною оболонкою Урана може існувати шар електропровідної рідини, який потенційно може бути океаном рідкої води. Якщо це підтвердиться, то Уран стане третьою планетою в Сонячній системі після Землі та Юпітера, яка має прихований океанТаємничий сигнал вказує на приховані океани на орбіті Урана. 26.03.2023.

Попри те що описана вище модель є поширенішою, 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, загальна маса льодів буде нижчою, і відповідно, повна маса водню і скельного матеріалу — вищою. Доступні дані не дають змоги визначити, яка модель правильніша. Рідка внутрішня структура означає, що в Урана немає ніякої твердої поверхні, оскільки газоподібна атмосфера плавно переходить у рідкі шари. Проте для зручності за «поверхню» було вирішено умовно прийняти сплющений сфероїд обертання, де тиск дорівнює 1 бару. Екваторіальний і полярний радіус цього сплющеного сфероїда становлять і . Далі в статті ця величина і буде прийматися за нульовий відлік для шкали висот Урана.

Внутрішнє тепло