Уран и Нептун относят к ледяным гигантам, поскольку значительная доля их массы приходится на летучие соединения, которые в планетологии называют «льдами». Проще говоря, в их составе гораздо больше веществ вроде воды, аммиака и метана, чем у Юпитера и Сатурна, которые состоят главным образом из водорода и гелия. Именно этим Уран и Нептун отличаются от газовых гигантов.
Эти две планеты окружает плотная газовая оболочка, которая скрывает от наблюдателя внутренние процессы, включая области с высоким давлением и температурой. Поэтому, чтобы разобраться в строении и составе ледяных миров, ученые используют данные спектроскопических наблюдений, измеряют интенсивность теплового излучения и анализируют химические «следы» в атмосфере, позволяющие косвенно судить о том, что происходит в глубинных слоях планет.
Особый интерес вызывает угарный газ (CO): он рассматривается как индикатор воды и других «льдов», то есть служит химическим «следом» глубинного кислорода. CO либо образуется внутри планеты при взаимодействии углерода с кислородом, который в ледяных гигантах в основном связан в воде (H₂O), либо заносится извне. Если CO имеет внутреннее происхождение, значит, в недрах планеты есть значительное количество кислородсодержащих веществ, прежде всего воды и водно-аммиачных «льдов».
Например, угарный газ в нижних слоях атмосферы Нептуна обнаружили лишь в 1990-х годах с помощью наземных и инфракрасных спектроскопических наблюдений. В нижних слоях CO не может долго сохраняться без пополнения, следовательно, заключили астрономы, он имеет внутреннее происхождение.
В 2000-х CO нашли и на Уране, но только в верхнем атмосферном слое. Последующие наблюдения показали, что концентрация CO снижается с глубиной. Это говорит в пользу внешнего источника, вероятно — кометное вещество или межпланетная пыль.
Такое расхождение в концентрации угарного газа в атмосферах Нептуна и Урана породило в научном мире спор. Одни исследователи предположили, в недрах Урана преобладают каменистые вещества, а сам он формировался по иному сценарию, чем его сосед, несмотря на их внешнее сходство. Другие посчитали, что делать подобные выводы преждевременно, поскольку наблюдаемые различия могут объясняться слишком малым количеством данных.
Международная команда астрономов под руководством Тибальта Кавалье (Thibault Cavalié) из Университета Бордо во Франции опубликовала статью, в которой сообщила, что им впервые удалось зарегистрировать угарный газ в тропосфере Урана, то есть в нижних облачных слоях. Открытие сделали с помощью комплекса радиотелескопов Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), расположенного в чилийской пустыне Атакама.
Проанализировав три сеанса наблюдений ALMA в 2022-2024 годах, Кавалье и его коллеги установили, что в тропосфере Урана присутствует CO в концентрациях 5,8 ± 0,3 части на миллиард. Угарный газ в тропосфере связан с внутренним источником.
По полученной концентрации CO авторы исследования рассчитали содержание кислорода в недрах планеты. Оказалось, там его как минимум в 52 раза больше, чем в протопланетной туманности. Такой избыток кислорода означает, что при формировании Уран, вероятно, вбирал в себя много воды и других летучих веществ. Новые данные помогут уточнить модели внутреннего строения этой планеты и лучше понять, почему ее история рождения могла отличаться от истории рождения Нептуна.
Также команда Кавалье впервые обнаружила в стратосфере Урана циановодород (HCN), причем в крайне малых концентрациях. Это соединение может формироваться либо в результате фотохимических реакций в верхних слоях атмосферы, либо при поступлении внешнего материала — например, межпланетной пыли или остатков кометного вещества, содержащих азот и углерод.
Наличие HCN важно тем, что он служит индикатором поведения азота в атмосфере: показывает, как азотсодержащие соединения реагируют на солнечное излучение, насколько эффективно происходит вертикальное перемешивание атмосферных слоев и поступает ли азот (и связанные с ним вещества) извне в верхние облачные слои планеты.