Muito do que você pensa saber sobre Urano pode estar errado. Todos os livros didáticos descrevem Urano e Netuno como mundos divididos em várias camadas distintas, com um núcleo rochoso do tamanho da Terra cercado por um manto rico em água, amônia e metano e, acima disso, uma densa atmosfera de hidrogênio e hélio. Mas este é apenas um dos modelos que se encaixa nos dados limitados que temos sobre os chamados "gigantes de gelo", um modelo no qual os interiores de Urano e Netuno são dominados por água e outros tipos de gelo em vários estados. No entanto, outro modelo possível é o "predominantemente rochoso", que, como o nome sugere, propõe um interior muito diferente. De acordo com esse modelo alternativo, Urano seria um planeta rochoso massivo cercado por uma atmosfera densa.
Este modelo dominado por rochas ganhou força nos últimos anos e, embora os pesquisadores ainda acreditem que o modelo de "gelo" dominado por água seja o mais provável, ele exemplifica o quão pouco sabemos sobre os planetas mais externos do Sistema Solar. Essa falta de conhecimento sobre sua estrutura interna é um problema duplo, pois os modelos de formação do Sistema Solar dependem da composição interna desses planetas. Além disso, a maioria dos exoplanetas detectados até o momento tem tamanho semelhante ao de Urano e Netuno, portanto, compreender seus interiores é fundamental para entender como os planetas se formam no Universo. Um estudo recente do KISS ( Instituto WM Keck de Estudos Espaciais ) delineou as prioridades para o estudo de Urano. Netuno compartilha muitos dos mistérios de seu irmão, mas a NASA decidiu que estudar Urano com a missão UOP ( Orbitador e Sonda de Urano ) é a prioridade .
O modelo dominado por rochas poderia ser válido desde que o interior do planeta permita a presença de hidrogênio e hélio, dois elementos muito leves que compõem a maior parte da atmosfera. Nesse caso, Urano seria composto por 56% de silicatos, 33% de água, 9% de hidrogênio e hélio e 2% de ferro. Em modelos dominados por água, os gases mais leves não estão presentes no interior do planeta, e a quantidade de água chegaria a 70%, enquanto os silicatos comporiam 25%. A falta de conhecimento sobre Urano e Netuno decorre do fato de serem os únicos planetas do Sistema Solar que foram visitados por apenas uma espaçonave, a Voyager 2, em 1986 e 1989, respectivamente. A lendária sonda sobrevoou ambos os planetas, mas não conseguiu orbitá-los. Vale lembrar que a fonte mais importante de informações sobre o interior de um planeta é obtida pela medição de seu campo gravitacional, detectando as pequenas variações em sua órbita por meio de sinais de rádio emitidos pela espaçonave.
Especificamente, o que é medido são os coeficientes do campo gravitacional — os harmônicos esféricos. A Voyager 2 só conseguiu medir os harmônicos J2 e J4 , enquanto a sonda Juno da NASA mediu até o J12 do campo gravitacional de Júpiter . Além disso, Urano e Netuno são caracterizados por ventos muito intensos que podem modificar os valores de J4 . Uma sonda orbital poderia medir esses harmônicos e outras grandezas, como os efeitos das forças de maré causadas pelo sistema de satélites ou o momento de inércia de Urano. Quanto mais harmônicos forem medidos, melhor, mas conhecer os valores de J6 e J8 seria suficiente para distinguir entre a maioria dos modelos. Da mesma forma, os anéis de Urano podem funcionar como sismômetros orbitais para determinar a estrutura interna do planeta.
Uma missão desse tipo também seria capaz de estudar o peculiar campo magnético de Urano — e de Netuno — que é multipolar, ao contrário do de Júpiter e Saturno, que é dipolar como o da Terra. Vários mecanismos de dínamo foram propostos para explicar esse campo, mas alguns se contradizem. O relatório KISS reitera a importância de analisar diretamente a atmosfera de Urano com uma sonda que desça até sua superfície — o "P" da missão UOP — como a que levou a sonda Galileo para estudar Júpiter, mas enfatiza que a variabilidade das atmosferas dos planetas gigantes deve ser levada em consideração e que, idealmente, seriam necessárias várias sondas, não apenas uma (na época, os dados da sonda Galileo causaram grande confusão porque divergiram das expectativas ao pousar em uma região excepcionalmente quente da atmosfera). Esta sonda terá de atingir uma profundidade de pelo menos cinco quilômetros, onde se localiza a base das nuvens de metano, e medir compostos químicos que não estão em equilíbrio, como monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrogênio molecular, fosfina e germânio, bem como a proporção orto-para da molécula de hidrogênio. A sonda também medirá a abundância de diversos gases nobres e seus isótopos. Curiosamente, Urano e Netuno possuem as condições para que o xenônio se condense em nuvens, que estariam na mesma altitude das nuvens de metano. Mais uma peculiaridade dos gigantes de gelo: nuvens de xenônio!
Falando em nuvens, esta sonda também estudará as diferentes camadas de nuvens, que em Urano são consideradas as seguintes, ordenadas da mais superficial para a mais profunda: metano, sulfeto de hidrogênio, água, sulfeto de hidrogênio de amônio e amônia. No entanto, essa distribuição é muito sensível às proporções variáveis desses compostos, possíveis misturas entre eles e correntes de convecção, sendo bastante possível que algumas dessas camadas de nuvens estejam ausentes ou em uma ordem diferente. Outra prioridade é determinar o período de rotação real do planeta e de suas camadas internas, atualmente estimado em 16,57 horas. Como podemos ver, sabemos muito pouco sobre gigantes de gelo. O simples fato de que modelos baseados em dados atuais não conseguem distinguir entre um Urano dominado por água e um dominado por rochas é um sinal de que devemos explorar esses mundos o mais rápido possível.
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