НАУКА |22 МАЯ 2024 Г.
Планета-гигант – мир крайностей
Составное изображение Юпитера, полученное космическим кораблем Юнона
Среди планет нашей Солнечной системы Юпитер является старейшим и крупнейшим и часто появляется на ночном небе вторым по яркости после Венеры. Ученые уже давно отслеживают этого полосатого газового гиганта с тех пор, как начали строить простые телескопы. В 1610 году Галилео Галилей наблюдал Юпитер в свой телескоп и обнаружил четыре больших спутника. Это открытие побудило его выдвинуть еретическое на тот момент представление о том, что Земля, как и эти четыре галилеевых спутника, может окружать какое-то более крупное астрономическое тело, а не быть окруженной миньонами в центре Вселенной.
Чрезвычайная масса Юпитера — его наиболее характерная особенность. Благодаря своей гравитационной силе Юпитер играет роль «старшего брата» в Солнечной системе — он приложил руку ко многим историческим событиям. Четыре миллиарда лет назад чудовище вступило в сговор с Сатурном, чтобы объединить свою гравитационную мощь и швырнуть кометы и астероиды через Солнечную систему. Такое событие, возможно, даже привело к катастрофическому периоду, известному как Поздняя тяжелая бомбардировка, когда планетезимали заполонили внутреннюю часть Солнечной системы и потенциально образовали множество кратеров, которые сегодня испещряют поверхность Луны.
За последние 50 лет космические миссии и разработка более мощных телескопов позволили ученым заглянуть за облака Юпитера и расчленить планету с беспрецедентной четкостью. Ученые установили, что окружающая среда Юпитера крайне враждебна. Длительные штормы проносятся по планете и окрашивают поверхность в разноцветные полосы. Смертельный уровень радиации грозит поджарить любого нарушителя. Как и их материнская планета, галилеевы спутники также далеки от мирных миров.
Юпитер своим великолепным развевающимся покровом и природой крайностей уже давно захватывает воображение общественности и продолжает вдохновлять научные исследования. Недавние открытия только усилили загадочность Юпитера, побудив исследователей исследовать это обширное царство. Вот некоторые из самых захватывающих открытий, которые ученые сделали о Юпитере и его спутниках за последние пять десятилетий.
У Юпитера странное ядро
Будучи газовым гигантом, Юпитер не является твердой землей — вплоть до своего размытого ядра. В его центре находится разбавленная смесь твердых веществ и газов тяжелых элементов, сжатая до неузнаваемости силой тяжести. Представьте себе, что вы кусаете вчерашнюю бобу, которая все еще мягкая снаружи, но несколько затвердела посередине - Юпитер имеет аналогичную консистенцию: пушистый внешний слой переходит в плотное ядро в одном континууме.
Странная внутренняя часть Юпитера была обнаружена миссией «Юнона» в 2017 году с помощью измерений гравитационного поля — метода, который отображает тонкие изменения гравитационного воздействия на космический корабль, проносящийся по всей планете. Данные о гравитации выглядели совсем иначе для планет с четкой границей твердого тела и жидкости, что побудило ученых предположить, что у Юпитера есть нечеткое ядро. «Мы до сих пор не до конца понимаем, что именно происходит», — говорит Хайди Беккер, планетолог НАСА и одна из соавторов расследований «Юноны».
Понимание ядра дает ключ к пониманию формирования Юпитера. Большинство протопланет сначала начинают аккумулировать твердые тела, пока не станут достаточно массивными, чтобы переключиться на пополнение газов. Чтобы объяснить данные о Юпитере, ученые предполагают, что, возможно, Юпитер никогда не прекращал накапливать твердые тела по мере своего роста. В результате планета может представлять собой неравномерную смесь твердых тел и газов от центра к поверхности. Другое предположение состоит в том, что гигантский ударник, который по размеру и весу значительно превосходил Юпитер, упал на Юпитер и взбудоражил внутренности планеты, размыв границу ядра и мантии.
Мощная магнитосфера создает энергетические потоки
Магнитное поле Земли возникает из-за вращения расплавленного железа в ее ядре, которое создает динамо-машину. На Юпитере вместо этого магнитное поле питает любопытная форма материи, известная как металлический водород.
Вес Юпитера приводит к огромному давлению глубоко внутри его сердца, которое формирует экзотическую материю, не встречающуюся больше нигде в Солнечной системе. Водород, самый легкий элемент в таблице Менделеева и обычно газ, зажат внутри планеты до тех пор, пока его электроны не отделятся от атомов и не начнут свободно перемещаться. Это море мобильных электронов создает динамо-машину, которая дает Юпитеру мощное магнитное поле. Сфера магнитного влияния Юпитера — самый крупный объект Солнечной системы, в несколько раз шире Солнца. Эта магнитосфера достаточно огромна, чтобы защитить планету от солнечных ветров, сметающих выброшенные Солнцем частицы до орбиты Сатурна.
Юпитер может быть неприкосновенен для солнечных ветров, но система Юпитера — Юпитер и его спутники — генерирует свои собственные энергетические частицы. Они улавливаются и ускоряются тем самым магнитным полем, которое защищает планету от внешней ионной бомбардировки.
«У наличия магнитного поля есть плюсы и минусы», — говорит Ченг Ли, планетолог из Мичиганского университета и соавтор исследования Юноны.
Заряженные частицы исходят от самой нестабильной луны Юпитера, Ио, чьи вулканические выбросы электризуются, когда магнитное поле вырывает электроны из ее молекул. Бродячие электроны носятся вокруг Юпитера со скоростью, близкой к скорости света, и испускают радиоволны. Эти радиоизлучения создают неудобства с научной точки зрения, поскольку они заглушают радиолокационные сигналы ученых, стремящихся исследовать внутреннюю часть планеты с Земли. Электронный щит также создает радиационный пояс, который поражает прилетающие космические корабли. Помня об этой опасности, ученые построили Юнону «как бронированный танк», говорит Беккер: вся ее чувствительная электроника находится внутри титанового хранилища с электронной защитой, которое весит почти 400 фунтов.
Тем не менее, сильная магнитосфера Юпитера создает впечатляющие полярные сияния, когда направляемые ею электроны неизменно врезаются в другие атомы в атмосфере, высвобождая вспышки света. Учитывая, что магнитное поле достаточно велико, чтобы окутать спутники, оно также переносит выбросы с Ио в другие места. Ученые обнаружили загрязнения на всей территории Европы, еще одного спутника Юпитера, который находится в сотнях тысяч миль от Ио.
Юпитер нагревается
Космический телескоп «Хаббл» запечатлел ярко-синие сияния, венчающие северный полюс Юпитера.
Юпитер еще не закончил остывать после своих первобытных дней. Тепло все еще исходит от планеты спустя миллиарды лет после ее образования. Ученые полагают, что это тепло способствует возникновению сильных штормов, охватывающих атмосферу Юпитера.
Миссия «Вояджер» измерила, сколько тепла выделял Юпитер, когда он пролетел мимо газового гиганта в 1979 году. Тогда ученые поняли, что Юпитер излучал больше тепла, чем предсказывали модели: в некоторых частях планеты температура горела почти на 800 градусов по Фаренгейту выше, чем ожидали исследователи.
Тайна тайного тепла была раскрыта четыре десятилетия спустя, когда ученые обсерватории Кека составили карту температур Юпитера. На планете было холоднее всего вблизи экватора и горячее вблизи магнитных полюсов, где полярные сияния вспыхивали наиболее интенсивно. Это продемонстрировало, что полярные сияния представляют собой дополнительный источник тепла. Плазма Ио сталкивается с атмосферой Юпитера, создавая впечатляющие полярные сияния, и трется о быстро движущиеся ветры Юпитера, создавая достаточное трение, которое приводит к повышению температуры во всем мире.
Юпитер может похвастаться эклектичными спутниками
Слева направо: Ганимед, Каллисто, Ио и Европа — четыре крупнейших спутника Юпитера. Впервые их наблюдал Галилей в свой телескоп в 1610 году.
Юпитер не только помогает перемещать химические вещества между своими спутниками. Планета также может нагревать свои спутники на расстоянии посредством гравитационного поля.
Этот дальний нагрев заметен среди четырех галилеевых спутников. Гравитационное влияние Юпитера превратило эти спутники в дразнящие миры, которыми они являются сегодня. «Это не просто статичные камни, которые находятся в космосе и постепенно подвергаются бомбардировке», — говорит Майкл Х. Вонг, планетолог из Калифорнийского университета в Беркли, который также участвует в миссии «Юнона».
Галилеевы спутники остаются геологически активными благодаря механизму, известному как приливный нагрев. По мере того как спутники танцуют вблизи и от Юпитера по своим эллиптическим орбитам, гравитационное перетягивание каната между лунами и Юпитером создает уровни трения, достаточно большие, чтобы поджарить спутники. «Это похоже на то, как будто их вытащили и четвертовали», — говорит Беккер.
В результате галилеевы спутники совсем не похожи на мертвые миры, такие как собственная луна Земли. Из квартета Ио находится ближе всего, поэтому испытывает на себе весь гнев гравитации Юпитера. Лишь пятнышко по сравнению со своей материнской планетой, Ио является самым вулканически активным местом во всей Солнечной системе. Ее ледяной брат Европа, возможно, совсем не похож на Ио, но под замерзшей оболочкой она скрывает огромный океан жидкой воды. Европа является главной целью для изучения обитаемости планеты благодаря приливным процессам нагревания Юпитера, которые делают Европу достаточно теплой, чтобы потенциально содержать жизнь.
Облака и атмосфера Юпитера совсем не похожи на земные.
Если смотреть вблизи, на лице Юпитера видны дымчатые завитки.
Хотя атмосфера Юпитера на 90 процентов состоит из водорода, воздух богат другими соединениями, которые придают планете ее культовые оттенки белого и оранжевого. На поверхности молекулы ацетилена, сероводорода и фосфина образуют разнообразные водовороты, опоясывающие планету.
В 1995 году зонд «Галилео» опустился в газообразное тело Юпитера и понюхал его. Было обнаружено, что на Юпитере есть три типа облаков: состоящие из аммиака, гидросульфида аммония и водяного льда. Таким образом, в зависимости от высоты по небу Юпитера выпадают разные виды дождя.
Зонд также обнаружил повышенные уровни тяжелых газов — больше, чем первоначально предполагали ученые на Юпитере, учитывая его нынешний размер и положение. Этот химический ключ указывает на странствующее прошлое: Юпитер, возможно, сформировался дальше от Солнца, где было достаточно холодно, чтобы притягивать лед и замороженные газы. Затем, предполагают ученые, он постепенно приближался к Солнцу, пока его не удержала гравитация Сатурна. «Сатурн помог Юпитеру двигаться наружу, — говорит Ли, — иначе Юпитер, вероятно, был бы поглощен Солнцем».
Экзотические погодные условия изобилуют
Иллюстрация художника, изображающая высотные электрические бури вблизи вершин облаков Юпитера
Юпитер готовит впечатляющие штормы. Одной из наиболее узнаваемых особенностей является Великая красная буря, вихрь, развивающийся со скоростью 400 миль в час и простирающийся на глубину до 300 миль. Хотя Великая Красная Буря продолжается уже более двух столетий, она уменьшается — раньше глаз бури был размером с три Земли, соединенных вместе; сейчас его ширина едва умещается в один дюйм, хотя этот размер по-прежнему делает его крупнейшей из ныне живущих бурь в Солнечной системе.
В верхних слоях атмосферы Юпитера также происходят неглубокие вспышки молний. Это открытие произошло в 2020 году, когда «Юнона» направила свою камеру на темную сторону планеты и поймала слабые вспышки света. На Земле молния возникает, когда сталкивающиеся частицы льда и капли воды внутри облаков создают разделение положительных и отрицательных зарядов. Первоначально ученые думали, что такая молния на Юпитере невозможна, поскольку они подозревали, что температура на этих высотах слишком низкая, чтобы вместить жидкую воду. Но Юпитер сумел поднять жидкую воду высоко в своей атмосфере благодаря присутствию газообразного аммиака, который действует как антифриз.
Штормы также выбрасывают частицы льда из глубины, и лед сталкивается с аммиаком и образует, по мнению ученых, « каши » из аммиачной воды, своего рода градину, содержащую как твердый лед, так и жидкую воду. Хотя ученые не наблюдали непосредственно за этими шариками, они могут предполагать: «В моем воображении это было бы похоже на то, если бы вы взяли Slurpee и сформовали из него шарик», — говорит Вонг. Когда из облаков идет дождь, шарики каши захватывают на пути вниз другие газообразные аммиаки, что объясняет наличие в атмосфере карманов недостающего аммиака, которые также наблюдала Юнона.
Да, у Юпитера есть кольцо.
Кольцо Юпитера состоит из четырех слабых подколец, плавающих над экватором.
«Многие люди даже не подозревают, что он у него есть», — говорит Беккер. Слишком маленький, чтобы его можно было наблюдать в домашний телескоп, пыльный венок Юпитера долгое время оставался незамеченным. Обнаруженное только в 1979 году во время пролета «Вояджера-1», кольцо с тех пор рассматривалось с помощью более мощных наземных телескопов и других космических кораблей.
Как и любое кольцо, окружающее другие планеты Солнечной системы, кольцо Юпитера представляет собой прославленное поле обломков. Детрит от упавших метеоритов собирается вокруг Юпитера. Эта рыхлая смесь льда, пыли и камней простирается на расстояние от 32 000 до 130 000 миль от поверхности планеты.
Когда другие небесные объекты проходят через кольцо, они могут оставлять следы в потоке пыли. Один из самых известных следов произошел от падения кометы Шумейкера-Леви 9 на Юпитер в 1994 году. Спустя годы космические корабли «Галилео» и «Новые горизонты» обнаружили в кольце Юпитера рябь, вызванную осколками кометы, небесный эквивалент шагов. В свежевыпавшем снеге.
53.3к