Уран — одна з найдивніших планет Сонячної системи вже хоча б через те, як вона лежить на боці. Вісь її обертання нахилена до орбітальної площини майже на 98 градусів, тоді як у більшості планет цей нахил не перевищує кількох десятків градусів. Довгий час найпопулярнішим поясненням був гігантський удар: якесь масивне тіло врізалося в Уран на ранньому етапі історії Сонячної системи і буквально перекинуло планету на бік.

Ця гіпотеза приваблива ще й тим, що вона одразу пояснює й появу п'яти головних супутників Урана — Міранди, Аріеля, Умбріеля, Титанії та Оберона. Усі вони обертаються точно в площині екватора планети, з тим самим 98-градусним нахилом відносно орбіти Урана навколо Сонця. Це означає, що місяці мали сформуватися вже після події, яка нахилила планету, — або принаймні опинитися на нових орбітах уже після цього. Природно було припустити, що уламки того самого удару, який перекинув Уран, потім зібралися у супутники. Попередні комп'ютерні симуляції навіть показали, що такий сценарій фізично можливий, якщо ударник був кам'яним і влучив у планету під певним кутом.

Як перевірили походження льоду

І Уран, і його супутники містять багато водяного льоду. На перший погляд, це узгоджується з ідеєю удару: зіткнення викидає воду з надр Урана, і вона згодом конденсується в місяці. Але не вся вода однакова. У кожному її зразку невелика частка молекул містить не звичайний водень, а його важчий ізотоп — дейтерій, атом якого має додатковий нейтрон. Вода з одним атомом дейтерію називається напівважкою (HDO). Якщо лід супутників справді походить із самого Урана, співвідношення дейтерію до звичайного водню (D/H) у них має бути приблизно таким самим, як у планети.

Автори нового дослідження виміряли це співвідношення для льоду на поверхні всіх п'яти великих супутників Урана, використавши спектрограф NIRSpec на телескопі James Webb. Молекули HDO поглинають світло на довжині хвилі 4,14 мікрометра, збуджуючи зв'язок дейтерій-кисень. Що більше HDO у зразку, то слабше він відбиває світло на цій довжині хвилі. Порівнявши спектри супутників із лабораторними еталонами льоду з відомим вмістом дейтерію, дослідники змогли перерахувати силу поглинання в конкретне значення D/H для кожного місяця.

Лід чужого походження

Результат виявився несподіваним: співвідношення D/H у льоду супутників приблизно у п'ять разів перевищує значення для самого Урана. Натомість воно добре узгоджується з типовими показниками крижаних комет із зовнішньої Сонячної системи — тіл, що сформувалися далеко від Сонця, у зовсім інших умовах, ніж атмосфера Урана.

Це серйозний аргумент проти простої картини "удар вибив воду з Урана — вода зібралася в місяці". Якби лід супутників справді походив із речовини самої планети, ізотопний склад мав би збігатися, а не відрізнятися вп'ятеро. Натомість схожість із кометами вказує на зовсім інше джерело матеріалу — тіла з набагато холодніших і віддаленіших областей Сонячної системи.

Дві нові версії подій

Автори пропонують два альтернативні сценарії, які пояснювали б і нахил Урана, і появу його супутників без прямого "перетворення" речовини планети в місяці. Перший: Уран міг припливно зруйнувати крижане тіло зовнішньої Сонячної системи, яке пролетіло надто близько до планети. Уламки такого тіла утворили б диск в екваторіальній площині Урана, з якого пізніше зібралися супутники — вже з "кометним" ізотопним складом.

Другий сценарій: гігантський удар усе-таки відбувся і саме він нахилив вісь Урана, але місяці вже існували до цього моменту, сформувавшись раніше з крижаного матеріалу зовнішньої Сонячної системи. Уламки удару лише допомогли перевести їхні орбіти в нову екваторіальну площину планети, узгоджену з новим нахилом осі.

В обох випадках зіткнення могло справді відіграти роль у нахилі Урана — це узгоджується з попередніми дослідженнями. Але, судячи з ізотопного складу льоду, воно навряд чи безпосередньо породило теперішні супутники планети. Дослідження нагадує, що найпростіше й найелегантніше пояснення не завжди виявляється правильним — навіть якщо воно чудово пояснює одразу кілька фактів.