Астрономия

Валерия Сирота

Масса: 318 масс Земли
Радиус: 11 радиусов Земли
Расстояние до Солнца: 5,2 а.е. (1 а.е. = 150 млн км)
Период обращения вокруг Солнца: 12 земных лет
Период вращения вокруг оси: 10 часов
Спутники: известно 67, из них 4 крупных

Вот мы и покинули уютные, хорошо освещённые внутренние области Солнечной системы, где от одной планеты до другой можно долететь за  считанные месяцы, да и сами планеты, что ни говори, всё-таки похожи на  Землю. Здесь, за поясом астероидов, всё иначе: огромные планеты-гиганты, рядом с которыми наша Земля выглядела бы совсем крошечной, от одной планеты до другой — годы пути. Солнце, хоть по-прежнему яркое, кажется отсюда очень маленьким. И греет оно на расстоянии 5 а.е. в 25 раз слабее, чем на Земле.

Юпитер — первая на нашем пути от Солнца и самая большая в Солнечной системе планета-гигант. Он в 2,5 раза тяжелее, чем все остальные планеты, вместе взятые, и всего в 1000 раз легче Солнца. Эх, если бы он в детстве больше кушал — и набрал весу ещё в 50–70 раз больше — он тоже смог бы стать звездой! Но «еды» ему не хватило. Зато размер у него — почти как у  маленьких звёзд. И даже не став звездой, Юпитер всё-таки излучает в виде тепла — инфракрасного излучения — в полтора раза больше энергии, чем он получает от Солнца. Откуда берётся избыток? Скорее всего, от  остывания вещества в глубине планеты. По мере остывания Юпитер «проседает», уплотняется, и размер его уменьшается на 2 см каждый год. Говорят, когда Юпитер только образовался, он был ещё в 2 раза больше (и  гораздо горячее), чем сейчас!

Из-за большого размера, несмотря на огромную массу, притяжение на  поверхности Юпитера совсем не такое уж сильное: стоя там, мы весили бы всего в два с половиной раза больше, чем на Земле. Только вот стоять там не на чем! У Юпитера вообще нет твёрдой поверхности. И даже жидкой нет. Это потому, что он состоит (как и остальные планеты-гиганты, как, кстати, и  Солнце, и все «нормальные» звёзды) в основном из водорода.

В обычных земных условиях водород — газ; если его сильно сжать, он  превратится в жидкость — но не «скачком», как пар конденсируется в воду (тут пар, там вода, не перепутаешь), а плавно, постепенно¹. Чем глубже в  недра Юпитера — тем больше давление: верхние слои давят на нижние. Поэтому водородная атмосфера плавно, без всякой резкой границы, переходит в водородный «океан».

¹ Это называется сверхкритическая жидкость.

Нет, вы не подумайте — тяжёлые атомы, такие, из которых состоят наши камни, там тоже есть. Но их очень мало по сравнению с водородом, и они давно «утонули» на дно этого водородного океана — при взгляде снаружи от них и следа не сыскать. Зато видно немного гелия (примерно 1/10 всех атомов) и чуть-чуть азота (в  соединениях с водородом — молекулах аммиака и аммония) и углерода (в молекулах метана).

Чтобы как-то всё-таки ориентироваться на Юпитере, договорились считать «поверхностью» границу непрозрачных облаков. От неё отсчитываются высоты и глубины. По счастливому стечению обстоятельств, как раз на этом уровне давление такое же, как атмосферное давление на поверхности Земли. А  температура — пониже, чем у нас: −80°С. Но чем глубже — тем теплее! На глубине 130 км давление уже 24 атмосферы, а температура 150°С.

Как ни странно, мы это знаем довольно точно. А всё потому, что космическая станция «Галилео» не только летала 8 лет вокруг Юпитера и изучала его со всех сторон, но даже отправила на него зонд — спускаемый аппарат. Прежде чем этот зонд утонул и расплавился в водородном океане, он как раз до глубины 130 км передавал по радио результаты своих измерений.

Что там дальше, глубже 130 км — мы можем только догадываться. Наверно, ещё ниже атомы водорода так близко прижимаются давлением друг к другу, что их электроны отрываются от своих ядер и начинают свободно «гулять» от одного ядра (протона) к другому, по всей жидкости. В обычных условиях так ведут себя электроны в металлах, поэтому такое состояние вещества называется металлический водород (при этом он остается жидкостью). А совсем в глубине, наверно, есть каменное ядро.

Снаружи, в том числе и с Земли, на Юпитер смотреть тоже очень интересно. Потому что в его атмосфере чего только не происходит! Бури и ураганы, штормы, молнии длиной в тысячи километров и в тысячу раз более сильные, чем на Земле (но, правда, в тысячу раз более редкие), и огромные полярные сияния! Вдобавок к этому, на Юпитер периодически что-нибудь падает, мелкий астероид или там комета... Вот, например, в 1992 году он взял да и разорвал приливными силами небольшую комету, и она распалась на  20–30 частей². Эти обломки ещё пару лет летали вокруг Юпитера, пока не врезались в него. А не прошло и 15 лет — и на Юпитер упала ещё одна комета.

² Её обнаружили как раз вскоре после этого события, уже в виде осколков; называется она, как все кометы, по имени первооткрывателей — кометой Шумейкеров — Леви.

Фото 1. Юпитер: чуть ниже центра — Большое красное пятно, на нём тень спутника Ганимед; три белых пятнышка ниже — небольшие ураганы

Фото 2. После падения на Юпитер одного из фрагментов кометы Шумейкеров — Леви. Снимки космического телескопа «Хаббл».

Задача

На двух фотографиях видны три белых пятна-урагана. Одни и те же это пятнышки или нет?

Ответ

Это совсем разные тройки пятен. По расположению полос видно, что на первой фотографии все белые пятна находятся примерно на одной широте, а на второй — наоборот, на одном меридиане.

Даже в небольшой телескоп видно, что Юпитер полосатый. Это оттого, что он очень быстро — быстрее всех других планет Солнечной системы! — крутится вокруг оси. Вдобавок, поскольку он не твёрдый (а  снаружи — и вовсе газовый), разные его части движутся с разной скоростью: вращение на экваторе заметно быстрее, чем у полюсов. От этого вдоль параллелей всегда дуют сильные ветры — до 600 км/ч — которые норовят «растянуть» любые облака в кольцо.

Разный цвет облаков получается из-за примесей (аммония и др.), которые по-разному отражают свет в зависимости от температуры: светлые колечки — зоны — это поднявшиеся вверх и более холодные облака, а тёмные — пояса  — более низкие и более горячие. На Юпитере, как и на Земле, постоянно происходит движение вверх-вниз: снизу поднимаются нагретые массы «воздуха», наверху они остывают и опускаются обратно. Но на Земле воздух нагревается поверхностью земли (или моря), которая, в свою очередь, нагревается Солнцем. А на Юпитере от Солнца толку мало, тепло идёт изнутри планеты.

Пояса и зоны довольно стабильны, у них есть имена (и даже клички), но  постоянно происходят мелкие изменения: одни области становятся шире, другие уже, где-то поднимается буря и перемешивает горячее с холодным. От  этого Юпитер выглядит каждый раз по-другому. А иногда изменения вовсе и  не мелкие: то яркий пояс, то зона могут исчезнуть на несколько месяцев или даже лет.

Самый знаменитый (и самый большой) ураган на Юпитере — Большое красное пятно — в ширину чуть больше диаметра Земли, а в длину в нём поместилось бы две или три Земли. С Земли его наблюдают уже почти 400  лет — скорее всего, оно было и раньше, просто ещё не было телескопов³. Во всяком случае, 100 лет назад оно было примерно в 2 раза больше, чем сейчас. И всё это время «воздух» в нём, как и положено в урагане, вращается по кругу — полный оборот за 6 земных дней.

³ Впервые на Юпитер в телескоп смотрел Галилей в 1610 году, и он Большого красного пятна не увидел. Но телескоп у него был совсем уж слабенький. Зато он обнаружил кое-что другое: что?

Ответ

Галилей открыл 4 спутника Юпитера и этим произвёл революцию в представлениях об устройстве мира. 

Есть и другие пятна, то есть ураганы, красные и белые, многие из них видны даже в любительские телескопы. Некоторые из них существуют десятки лет, а может, и дольше. Причём почему-то — неизвестно почему — все «долгожители» собрались в южном юпитерианском полушарии.

Галилеевы спутники

У Юпитера (радиус планеты 70 тыс. км, период вращения вокруг оси 10 часов) известно 67 спутников, ближайший из них — Метида (радиус орбиты 128  тысяч км, период обращения вокруг Юпитера 7 часов), самый дальний — Мегаклите (радиус орбиты 24,5 миллиона км, период обращения 800 земных дней).

У Юпитера, как и положено главному богу (и самой большой планете), огромная свита — известно уже почти 70 спутников, и продолжают открывать всё новые. Но больших среди них всего четверо — все остальные имеют неправильную форму, и только трое из этих остальных больше 100 км в длину (причём из этих троих два сделаны не из камня, а изо льда!). А большая часть (штук 50) — и вовсе какие-то булыжники размером от 1 до 5 км. Они к тому же ещё и вращаются вокруг Юпитера «не в ту сторону» (по  часовой стрелке, а не против, как почти всё в Солнечной системе). Астрономы подозревают, что это — заблудшие овечки, не всегда они были спутниками, а прихватил их Юпитер откуда-нибудь из пояса астероидов...

Таблица. Галилеевы спутники Юпитера в сравнении с Луной

Задача

Ио находится от Юпитера на таком же расстоянии, как Луна от Земли. Почему же она делает один оборот всего за 42 часа, а не за месяц, как Луна?

Четыре больших спутника называются галилеевыми. Третий из них — Ганимед — самый большой спутник в Солнечной системе, он больше Меркурия! Хотя по массе он Меркурию в 2 раза проигрывает: как и почти во всех далёких от Солнца спутниках, у Ганимеда внутри много льда, и из-за этого плотность у него маленькая — лёд ведь гораздо легче камня. Так  же обстоит дело и с Каллисто, которая занимает третье место по размеру среди всех спутников; по диаметру она ровно с Меркурий, а по массе — в  3 раза меньше него. У них обоих обнаружена тоненькая атмосфера: у  Ганимеда — из кислорода, у Каллисто — из углекислого газа. Вода, кислород... может, там кто-нибудь живёт?

Вращение всех четырёх спутников вокруг оси остановлено приливной силой Юпитера так же, как вращение Луны — Землёй: они повернуты к  Юпитеру всегда одной и той же стороной. Но это ещё не всё: у первых троих из них периоды обращения вокруг Юпитера тоже синхронизированы! Пока Ганимед делает один оборот вокруг планеты, Европа делает ровно два, а Ио — ровно четыре! Этот сложный космический танец поддерживает их орбиты чуть-чуть вытянутыми: каждую планету остальные дружно «подталкивают» всегда в одном и том же месте, мешая Юпитеру своей приливной силой превратить все орбиты в идеальные круги.

Но и это ещё не всё. Хоть они и смотрят всегда на Юпитер не отрываясь, ему всё мало: из-за вытянутости орбиты приливная сила в ближней к нему точке стремится ещё сильнее вытянуть спутники вдоль направленной к  Юпитеру оси, а в дальней точке — «сплюснуть» их обратно. (Помните воображаемый океан на Луне? Чем ближе спутник к планете, тем выше прилив — форма «океана» в ближней и дальней точках разная. И разница не в метр-два, а целых 100 м!). Так что приливная сила всё время «теребит» спутники, сжимает-растягивает... и этим нагревает их!

Извержение вулкана на Ио; цвета — настоящие

Особенно это заметно по Ио. На ней 400 действующих вулканов! Да каких — на Земле таких не увидишь: из одних вытекают языки лавы по 300 км длиной, из других прямо в космос бьют газовые фонтаны высотой 300 км. Из-за соединений серы вся поверхность спутника раскрашена жёлтым, красным, а то и зелёным. Облако вулканических газов тянется вдоль всей орбиты Ио.

Мы уже говорили, что вдали от Солнца почти у всех спутников плотности маленькие, потому что в их  составе много льда. Но Ио — исключение: у неё самая большая плотность из всех спутников Солнечной системы! Она скорее похожа на планеты земной группы: силикатная (кремниевая) мантия, железное ядро. Воды там меньше, чем где-либо в Солнечной системе! Вероятно, во времена, когда Ио ещё только образовывалась, а Юпитер был ещё молодым и горячим, приливные силы «переплавили» весь материал Ио и вся вода испарилась...

Европа и линии на ней

Европа — тоже удивительный спутник. От Юпитера она подальше, и «досталось» ей поэтому меньше. Но  и у неё под поверхностью есть слой (видимо, километров 100) подогретой приливными силами жидкости. Только жидкость эта — не раскалённая магма, а солёная вода! Огромный океан глубиной 100 км. Вот где кто-то мог бы жить... Европа, видно, тоже когда-то переплавилась, и часть воды испарилась (плотность у  Европы тоже довольно большая!), а остальная часть «всплыла» наружу, образовав этот самый океан, покрытый сверху ледяной корой.

Благодаря ледяной поверхности, Европа — один из самых светлых и уж точно самый гладкий из всех известных объектов Солнечной системы. Ни заметных гор, ни кратеров — только загадочные тёмные линии шириной до 20 км, которыми исчерчена поверхность. Может быть, это трещины, через которые выливается наружу — и потом замерзает — вода из океана...

<Ганимед

Ганимед, по-видимому, тоже когда-то полностью переплавился. Предполагают, что у него железное ядро (до сих пор жидкое, ещё не остыло!), вокруг ядра — каменная (силикатная) мантия, а  лёгкая вода «всплыла» наверх: на поверхности Ганимеда льда гораздо больше, чем внутри. Возможно, подо льдом тоже есть слой воды, но, по-видимому, тоньше, чем на Европе, и очень глубоко (на глубине около 200 км). Вообще, льда много — примерно половина всей массы.

На Ганимеде кратеров уже довольно много, а на Каллисто — просто очень много. Это значит — поверхность старая, никаких вулканов. Каллисто не попадает в резонанс с другими спутниками, и от Юпитера она чуть дальше. Поэтому здесь не было приливного разогрева, не было «переплавки», и лёд остался вмороженным в  камни — как на поверхности, так и внутри.

Когда что-нибудь врезается в спутник, в месте удара лёд расплавляется и разравнивает центр кратера. Поэтому многие кратеры, особенно свежие, выглядят светлыми пятнами. А у других кратеров блестят покрытые инеем выступающие края.

Каллисто. Справа: один из кратеров на Каллисто

Наглядевшись на эти ледяные чудеса, мы покидаем окрестности Юпитера и направляемся к Сатурну. По  дороге предлагаем вам подумать над такими вопросами:

- Почему это Земля и все внутренние планеты состоят в основном из атомов железа, кремния, кислорода, а планеты-гиганты — из водорода с небольшой примесью гелия?

- И почему в крупных спутниках планет-гигантов (скоро увидим, что и Сатурна тоже) много льда, а в Луне и планетах земной группы льда и воды почти нет?

Художник Мария Усеинова
Фотографии сделаны космической станцией «Галилео»

elementy.ru