![Изображение Юпитера в инфракрасном диапазоне в ложных цветах созданное путём выбора и объединения лучших изображений, полученных в результате множества коротких экспозиций на длине волны 5 микрометров с помощью инструмента VISIR на телескопе VLT (26 июня 2016 года)[9]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/271828/pub_67ea92bca93b5769a08995ea_67ea92be51e7ac5bb5f7e594/scale_1200)
В инфракрасной области спектра лежат линии молекул H2 и He, а также линии множества других элементов[10]. Количество первых двух несёт информацию о происхождении планеты, а количественный и качественный состав остальных — о её внутренней эволюции.
Однако молекулы водорода и гелия не имеют дипольного момента, а значит, абсорбционные линии этих элементов незаметны до того момента, пока поглощение за счёт ударной ионизации не станет доминировать. Это с одной стороны, с другой — эти линии образуются в самых верхних слоях атмосферы и не несут информацию о более глубоких слоях. Поэтому самые надёжные данные по обилию гелия и водорода на Юпитере получены со спускаемого аппарата «Галилео»[10].
Что же касается остальных элементов, то при их анализе и интерпретации тоже возникают трудности. Пока что нельзя с полной уверенностью сказать, какие процессы происходят в атмосфере Юпитера и насколько сильно они влияют на химический состав — как во внутренних областях, так и во внешних слоях. Это создаёт определённые трудности при более детальной интерпретации спектра. Однако считается, что все процессы, способные тем или иным образом влиять на обилие элементов, локальны и сильно ограничены, так что они не способны глобально изменить распределения вещества[11].
Движение поверхности Юпитера
Также Юпитер излучает (в основном в инфракрасной области спектра) на 60 % больше энергии, чем получает от Солнца[12][13][14]. За счёт процессов, приводящих к выработке этой энергии, Юпитер уменьшается приблизительно на 2 см в год[15]. По мнению П. Боденхеймера (1974), когда планета только сформировалась, она была в 2 раза больше и её температура была значительно выше, чем в настоящее время[16].
[править | править код]Коротковолновый диапазон
Излучение Юпитера в гамма-диапазоне связано с полярным сиянием, а также с излучением диска[17]. Впервые зарегистрировано в 1979 году космической лабораторией имени Эйнштейна.
На Земле области полярных сияний в рентгене и ультрафиолете практически совпадают, однако на Юпитере это не так. Область рентгеновских полярных сияний расположена гораздо ближе к полюсу, чем ультрафиолетовых. Ранние наблюдения выявили пульсацию излучения с периодом в 40 минут, однако в более поздних наблюдениях эта зависимость проявляется гораздо хуже.
Ожидалось, что рентгеновский спектр авроральных сияний на Юпитере схож с рентгеновским спектром комет, однако, как показали наблюдения на Chandra, это не так. Спектр состоит из эмиссионных линий с пиками у кислородных линий вблизи 650 эВ, у OVIII линий при 653 эВ и 774 эВ, а также у OVII на 561 эВ и 666 эВ. Существуют также линии излучения при более низких энергиях в спектральной области от 250 до 350 эВ, возможно, они принадлежат сере или углероду[18].
Гамма-излучение, не связанное с полярным сиянием, впервые было обнаружено при наблюдениях на ROSAT в 1997 году. Спектр схож со спектром полярных сияний, однако в районе 0,7-0,8 кэВ[17]. Особенности спектра хорошо описываются моделью корональной плазмы с температурой 0,4-0,5 кэВ с солнечной металличностью, с добавлением эмиссионных линий Mg10+ и Si12+. Существование последних, возможно, связано с солнечной активностью в октябре-ноябре 2003 года[17].
Наблюдения космической обсерватории XMM-Newton показали, что излучение диска в гамма-спектре — это отражённое солнечное рентгеновское излучение. В отличие от полярных сияний, никакой периодичности изменения интенсивности излучения на масштабах от 10 до 100 мин обнаружено не было.
[править | править код]Радионаблюдения за планетой
Юпитер — самый мощный (после Солнца) радиоисточник Солнечной системы в дециметровом — метровом диапазонах длин волн. Радиоизлучение имеет спорадический характер и в максимуме всплеска достигает 106 Янских[19].
Всплески происходят в диапазоне частот от 5 до 43 МГц (чаще всего около 18 МГц), в среднем их ширина составляет примерно 1 МГц. Длительность всплеска невелика: от 0,1-1 с (иногда до 15 с). Излучение сильно поляризовано, особенно по кругу, степень поляризации достигает 100 %. Наблюдается модуляция излучения близким спутником Юпитера Ио, вращающимся внутри магнитосферы: вероятность появления всплеска больше, когда Ио находится вблизи элонгации по отношению к Юпитеру. Монохроматический характер излучения говорит о выделенной частоте, скорее всего гирочастоте. Высокая яркостная температура (иногда достигает 1015 K) требует привлечения коллективных эффектов (типа мазеров)[19].
Радиоизлучение Юпитера в миллиметровом — короткосантиметровом диапазонах имеет чисто тепловой характер, хотя яркостная температура несколько выше равновесной, что предполагает поток тепла из недр. Начиная с волн ~9 см Tb (яркостная температура) возрастает — появляется нетепловая составляющая, связанная с синхротронным излучением релятивистских частиц со средней энергией ~30 МэВ в магнитном поле Юпитера; на волне 70 см Tb достигает значения ~5⋅104 K. Источник излучения расположен по обе стороны планеты в виде двух протяжённых лопастей, что указывает на магнитосферное происхождение излучения[19][20].
[править | править код]Вычисление гравитационного потенциала
Из наблюдений движения естественных спутников, а также из анализа траекторий космических аппаратов можно восстановить гравитационное поле Юпитера. Оно заметно отличается от сферически-симметричного из-за быстрого вращения планеты. Обычно гравитационный потенциал представляется в виде разложения по полиномам Лежандра[11]:
При пролёте аппаратов Пионер-10, Пионер-11, Вояджер-1, Вояджер-2, Галилео и Кассини для вычисления гравитационного потенциала использовались: измерение эффекта Доплера аппаратов (для отслеживания их скорости), изображение, передаваемое аппаратами для определения их местоположения относительно Юпитера и его спутников, радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами[21]. Для Вояджера-1 и Пионера-11 пришлось учитывать и гравитационное влияние Большого красного пятна[22].
Кроме того, при обработке данных приходится постулировать верность теории о движении Галилеевых спутников вокруг центра Юпитера. Для точных вычислений большой проблемой является также учёт ускорения, имеющего негравитационный характер[22].
По характеру гравитационного поля также можно судить о внутреннем строении планеты[23].
[править | править код]Юпитер среди планет Солнечной системы
[править | править код]Масса
Юпитер — самая большая планета Солнечной системы, газовый гигант. Его экваториальный радиус равен 71,4 тыс. км[24], что в 11,2 раза превышает радиус Земли[1] .
Юпитер — единственная планета, у которой центр масс с Солнцем находится вне Солнца и отстоит от него примерно на 7 % солнечного радиуса.
Масса Юпитера в 2,47 раза[25] превышает суммарную массу всех остальных планет Солнечной системы, вместе взятых[26], в 317,8 раз — массу Земли[1] и примерно в 1000 раз меньше массы Солнца[24]. Плотность (1326 кг/м³) примерно равна плотности Солнца и в 4,16 раз уступает плотности Земли (5515 кг/м³)[1]. При этом сила тяжести на его поверхности, за которую обычно принимают верхний слой облаков, более чем в 2,4 раза превосходит земную: тело, которое имеет массу, например, 100 кг[27], будет весить столько же, сколько весит тело массой 240 кг[2] на поверхности Земли. Это соответствует ускорению свободного падения 24,79 м/с² на Юпитере против 9,81 м/с² для Земли[1].
Большинство из известных на настоящее время экзопланет сопоставимы по массе и размерам с Юпитером, поэтому его масса (MJ) и радиус (RJ) широко используются в качестве удобных единиц измерения для указания их параметров[28].
[править | править код]Юпитер как «неудавшаяся звезда»
Теоретические модели показывают, что если бы масса Юпитера была намного больше его реальной массы, то это привело бы к сжатию планеты. Небольшие изменения массы не повлекли бы за собой сколько-нибудь значительных изменений радиуса. Однако если бы масса Юпитера превышала его реальную массу в четыре раза, то плотность планеты возросла бы до такой степени, что под действием возросшей гравитации размеры планеты сильно бы уменьшились. Таким образом, по всей видимости, Юпитер имеет максимальный диаметр, который может иметь планета с подобными строением и историей. С дальнейшим увеличением массы сжатие планеты продолжалось бы до тех пор, пока в процессе формирования звезды Юпитер не стал бы коричневым карликом с массой, превосходящей его нынешнюю примерно в 50 раз[29][30]. Это даёт астрономам основания считать Юпитер «неудавшейся звездой», хотя неясно, схожи ли процессы формирования таких планет, как Юпитер, с теми, что приводят к формированию двойных звёздных систем. Хотя, для того чтобы стать звездой, Юпитеру потребовалось бы быть в 75 раз массивнее, самый маленький из известных красных карликов всего лишь на 30 % больше в диаметре[31][32].
[править | править код]Орбита и вращение
Великие противостояния Юпитера с 1951 по 2070 год
годдатарасстояние,
а.е.19512 октября3,9419638 октября3,95197513 октября3,95198718 октября3,96199923 октября3,96201021 сентября3,95202226 сентября3,9520341 октября3,9520466 октября3,95205811 октября3,95207016 октября3,95
При наблюдениях с Земли во время противостояния Юпитер может достигать видимой звёздной величины в −2,94m, это делает его третьим по яркости объектом на ночном небе после Луны и Венеры. При наибольшем удалении видимая величина падает до −1,61m. Расстояние между Юпитером и Землёй меняется в пределах от 588 до 967 млн км[33].
Противостояния Юпитера происходят с периодом раз в 13 месяцев. Раз в 12 лет происходят великие противостояния Юпитера, когда планета находится около перигелия своей орбиты. В этот период времени его угловой размер для наблюдателя с Земли достигает 50 угловых секунд, а блеск — ярче −2,9m[34].
Среднее расстояние между Юпитером и Солнцем составляет 778,57 млн км (5,2 а.е.), а период обращения составляет 11,86 года[24][35]. Поскольку эксцентриситет орбиты Юпитера 0,0488, то разность расстояния до Солнца в перигелии и афелии составляет 76 млн км.
Основной вклад в возмущения движения Юпитера вносит Сатурн. Первого рода возмущение — вековое, действующее в масштабе ~70 тысяч лет[36], меняет эксцентриситет орбиты Юпитера от 0,02 до 0,06, а наклон орбиты от ~1° — 2°. Возмущение второго рода — резонансное с соотношением, близким к 2:5 (с точностью до 5 знаков после запятой — 2:4,96666[37][38]).
Экваториальная плоскость планеты близка к плоскости её орбиты (наклон оси вращения составляет 3,13° против 23,45° для Земли[1]), поэтому на Юпитере не бывает смены времён года[39][40].
Юпитер вращается вокруг своей оси быстрее, чем любая другая планета Солнечной системы[41]. Период вращения у экватора — 9 ч 50 мин 30 с, а на средних широтах — 9 ч 55 мин 40 с[42]. Из-за быстрого вращения экваториальный радиус Юпитера (71492 км) больше полярного (66854 км) на 6,49 %; таким образом, сжатие планеты составляет (1:51,4)[1].
[править | править код]Гипотезы о существовании жизни в атмосфере
В настоящее время наличие жизни на Юпитере представляется маловероятным: низкая концентрация воды в атмосфере, отсутствие твёрдой поверхности и т. д. Однако ещё в 1970-х годах американский астроном Карл Саган высказывался по поводу возможности существования в верхних слоях атмосферы Юпитера жизни на основе аммиака[43]. Даже на небольшой глубине в юпитерианской атмосфере температура и плотность достаточно высоки[2], и возможность, по крайней мере, химической эволюции исключать нельзя, поскольку скорость и вероятность протекания химических реакций благоприятствуют этому. Однако возможно существование на Юпитере и водно-углеводородной жизни: в слое атмосферы, содержащем облака из водяного пара, температура и давление также весьма благоприятны. Карл Саган совместно с Э. Э. Солпитером, проделав вычисления в рамках законов химии и физики, описали три воображаемые формы жизни, способные существовать в атмосфере Юпитера[44]:
- Синкеры (англ. sinker — «грузило») — крошечные организмы, размножение которых происходит очень быстро и которые дают большое количество потомков. Это позволяет выжить части из них при наличии опасных конвекторных потоков, способных унести синкеров в горячие нижние слои атмосферы;
- Флоатеры (англ. floater — «поплавок») — гигантские (величиной с земной город) организмы, подобные воздушным шарам. Флоатер откачивает из воздушного мешка гелий и оставляет водород, что позволяет ему держаться в верхних слоях атмосферы. Он может питаться органическими молекулами или вырабатывать их самостоятельно, подобно земным растениям;