Коротко и по делу — три рабочие гипотезы, для каждой — какие наблюдаемые признаки подтвердят/опровергнут и какие конкретные миссии/наблюдения требуются.
1) Крупное столкновение (giant impact)
- Суть: удар массивного тела в начале истории системы придал Урану наклон $\sim 98^{\circ }$.
- Предсказания / наблюдаемые признаки:
- Внутреннее строение: асимметрия/смещение ядра или слоистая структура, подавление конвекции в оболочке (обусловливает низкий внутренний тепловой флюкс). Ожидается аномальное значение момента инерции $C/M{R}^2$ и нестандартные гармоники гравитационного поля (аномальные $J_2,C_{22}$).
- Спутники и кольца: регулярные спутники младше планеты (переаккреция из обломков) — относительно молодая поверхность, низкая плотность или однородный состав, возможна диссимметрия распределения масс/орбит; уменьшение/потеря первоначальной системы регулярных спутников; характерные размеры/количества обломков в кольцах.
- Состав атмосферы: внесённые ударом тяжелые элементы/изотопные аномалии (избыточные редкие газы или отклонения в $D/H,{}^{15}N{/}^{14}N$ и т.д.) в тропосфере; локальные химические и термические аномалии.
- Как подтвердить/опровергнуть:
- Подтвердить: смещённое ядро / необычный $C/M{R}^2$, молодые поверхности основных спутников (мало кратеров), изотопные отклонения, следы сильного ударного нагрева.
- Оперечить: древние, высокократерированные спутники с непрерывной историей, отсутствующие изотопные аномалии, ровное внутреннее термическое поле.
- Рекомендуемая миссия / наблюдения:
- Орбитер с радионаукой (точное картирование гравитации для $J_2,C_{22}$ и вывода $C/M{R}^2$), магнитометром, микроволновым радиометром (внутренний тепловой флюкс), высоко‑разрешающей камерой для датирования кратеров на спутниках, вхождением атмосферного зонда (мас-спектрометр) для измерения $D/H,{}^{15}N{/}^{14}N$, инертных газов.
2) Пассивный захват (capture of a massive body / capture-induced tilt)
- Суть: наклон вызван захватом массивного внешнего тела (например, крупный захваченный спутник) или гравитационным обменом момента импульса при близком пролёте; менее катастрофичен для планеты.
- Предсказания / наблюдаемые признаки:
- Внутреннее строение: отсутствие сильных ударных следов; обычный профиль температур/конвекции; значения $C/M{R}^2$ и $J_2$ совместимы с постепенной эволюцией.
- Спутники: наличие одного или нескольких крупных неправильно ориентированных (ретроградных/высоко наклонённых) нерегулярных спутников с составом, похожим на внешние малые тела (Койпер/планетезимали); несогласованность угловых моментов между регулярной системой и захваченными объектами.
- Атмосфера: отсутствие массовых изотопных аномалий, атмосферные соотношения близки к ожиданиям при аккреции из протопланетного диска.
- Как подтвердить/опровергнуть:
- Подтвердить: обнаружение крупного захваченного спутника с "внешним" составом, динамическая модель показывает перенос момента за счёт захвата без сильного удара; нормальные внутренние параметры.
- Оперечить: отсутствие подходящих захваченных тел, или если спутники и кольца явно являются продуктом сильного ударного процесса.
- Рекомендуемая миссия / наблюдения:
- Комплекс наблюдений: спектроскопия ИК/видимого диапазона и радиолокация крупных нерегулярных спутников (сравнение состава с КБО), орбитальные измерения масс/орбит для расчёта углового момента, долгосрочная астрометрия для истории орбит; орбитер с камерой, спектрометром и радионаукой.
3) Миграция планетной системы / захват обтеканием резонансом (secular resonance / planetary migration)
- Суть: постепенное увеличение наклона в результате взаимодействий при миграции гиганиток (резонансный захват спиновой прецессии с изменяющимся полем возмущающих параметров).
- Предсказания / наблюдаемые признаки:
- Внутреннее строение: нет следов катастрофического перемешивания; момент инерции и $k_2$ такие, какие требуются для захвата в резонанс (проверяется моделью). Конвекция и тепловой поток близки к ожидаемым от эволюции.
- Спутники и кольца: сохранённые древние регулярные спутники с согласованными возрастами и плотностями; отсутствие резких реконструкций орбит, но возможны признаки орбитального возбуждения, согласованные с общесистемной миграцией (корреляции с неустойчивостью Нептуна и др.).
- Атмосфера: отсутствие ударных изотопных аномалий; состав близок к первичному (нет больших примесей, привнесённых внешними телами).
- Как подтвердить/опровергнуть:
- Подтвердить: древний возраст спутников (много кратерных баз), нормальные изотопные соотношения, значения $C/M{R}^2$ и $k_2$ подходящие для резонансного захвата по численному моделированию; согласованная динамическая история всей внешней системы планет.
- Оперечить: явные следы крупного удара или захваченные крупные объекты, несоответствие моментов инерции требованиям резонанса.
- Рекомендуемая миссия / наблюдения:
- Орбитер + радионаука для точного определения $J_2,C_{nm},C/M{R}^2$ и $k_2$; детальная датировка спутников с высоким разрешением; моделирование на основе полученных параметров с глобальной N‑тел модели миграции; наблюдения внешней планетной системы (аналогичные данные по Нептуну) для согласованности сценария.
Общие ключевые измерения, необходимые для различения гипотез (состав команды инструментов)
- Точные гравитационные измерения (радионаука) → $J_2,C_{22},C/M{R}^2$.
- Магнитометр и тепловые измерения → внутренняя динамика и тепловой флюкс.
- Высокоразрешающая камера и спектрометры (видимый/ИК/УФ) → датировка и состав спутников, картирование кратеров.
- Атмосферный зонд / масс‑спектрометр → изотопные соотношения ($D/H,{}^{15}N{/}^{14}N$, благородные газы).
- Спектроскопия нерегулярных спутников и кольца (сравнение с Койперовыми объектами).
- Долгосрочная астрометрия и динамическое моделирование для верификации резонансных сценариев.
Краткий итог: столкновение — ищем смещённое ядро, молодые спутники, изотопные аномалии; захват — ищем крупные нерегулярные спутники с внешним составом и обычную внутреннюю структуру; миграция/резонанс — ищем древние спутники, обычные изотопы и специфические значения $C/M{R}^2$ и $k_2$, совместимые с захватом в резонанс. На практике нужна миссия‑орбитер с радионаукой, атмосферный зонд и целевая съёмка спутников.