Юпитер — вторая по яркости после Венеры планета. Но если Венеру можно видеть только утром или вечером, то Юпитер иногда ярко сверкает всю ночь. Из-за медленного, величественного перемещения этой планеты среди звёзд древние греки дали ей имя своего верховного бога Зевса; в римском пантеоне ему соответствовал Юпитер.
Дважды Юпитер сыграл важную роль в истории астрономии. Он стал первой планетой, у которой были открыты спутники. В 1610 г. Галилей, направив телескоп на Юпитер, заметил рядом с планетой четыре звёздочки, невидимые простым глазом. Уже на следующий день они изменили своё положение и относительно Юпитера, и относительно друг друга. Проследив за новооткрытыми «звёздами» на протяжении нескольких ночей, Галилей заключил, что наблюдает спутники Юпитера, обращающиеся вокруг него как центрального светила. Это была уменьшенная модель Солнечной системы! Быстрое и хорошо заметное перемещение галилеевых спутников Юпитера — Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто — делает их удобными «небесными часами», и моряки долгое время пользовались ими, чтобы определять положение корабля в открытом море.
В другой раз Юпитер и его спутники помогли решить одну из древнейших загадок: распространяется свет мгновенно или скорость его конечна? Регулярно наблюдая затмения спутников Юпитера и сравнивая эти данные с результатами предварительных расчётов, датский астроном Оле Рёмер в 1675 г. обнаружил, что наблюдения и вычисления расходятся, если Юпитер и Земля находятся по разные стороны от Солнца. В этом случае затмения спутников запаздывают примерно на 1000 с. Рёмер пришёл к правильному выводу, что 1000 с — это как раз то время, которое необходимо свету, чтобы пересечь орбиту Земли по диаметру. Поскольку диаметр земной орбиты составляет 300 млн километров, скорость света оказывается близкой к 300 000 км/с.
Юпитер — это планета-гигант, которая содержит в себе более 2/3 массы всей нашей планетной системы. Масса Юпитера равна 318 земным. Его объём в 1300 раз больше, чем у Земли. Средняя плотность Юпитера 1330 кг/м3, что сравнимо с плотностью воды и в четыре раза меньше, чем плотность Земли. Видимая поверхность планеты в 120 раз превосходит площадь Земли, но застроить Юпитер землянам не удастся: он представляет собой гигантский шар из водорода, практически его химический состав совпадает с солнечным. А вот температура на Юпитере ужасающе низкая: –140 °C.
Юпитер быстро вращается. Из-за действия центробежных сил планета заметно расплющилась, и её полярный радиус стал на 4400 км меньше экваториального, равного 71400 км. Магнитное поле Юпитера в 12 раз сильнее земного — компас там будет работать отменно, только северный конец стрелки будет всегда направлен на юг.
По состоянию на 2026 год систему Юпитера посетили восемь космических аппаратов. Они выполняли разные миссии: пролёты мимо планеты, выход на её орбиту и использование гравитационной поддержки для других целей.
АТМОСФЕРА
Красноватая окраска части юпитерианских облаков говорит о том, что здесь много сложных химических соединений. Разнообразные химические реакции в атмосфере инициируются солнечным ультрафиолетовым излучением, мощными разрядами молний, а также теплом, идущим из недр планеты. Кстати, планета излучает в пространство вдвое больше энергии, чем получает; именно поэтому долгое время считалось, что Юпитер — незасветившаяся звезда. На самом деле это не так Юпитер не имеет своей «энергостанции» (т.е. в нём не протекают термоядерные реакции), он просто хороший аккумулятор тепла и постепенно отдаёт своё «первородное» тепло, полученное ещё при образовании. Для того чтобы превратить Юпитер в самую маленькую звезду, в центре которой могут идти термоядерные реакции, нужно было бы увеличить его массу примерно в 100 раз.
Атмосфера Юпитера кроме водорода (87%) и небольшой доли гелия (13%) содержит малые количества метана, аммиака и водяного пара. Учёные обнаружили также следы ацетилена, этана, угарного газа, синильной кислоты, гидрида германия, фосфина и пропана. Из этой химической «каши» трудно выбрать главных претендентов на роль оранжевого красителя атмосферы: это могут быть соединения фосфора, серы или органические соединения.
Следующий ярус облаков состоит из красно-коричневых кристаллов гидросульфида аммония при температуре –10 °C. Водяной пар и кристаллы воды образуют более низкий ярус облаков при температуре 20 °C и давлении в несколько атмосфер — почти над самой поверхностью океана Юпитера. (Хотя некоторые модели допускают наличие и четвёртого яруса облаков — из жидкого аммиака.)
Толщина атмосферного слоя, в котором возникают все эти удивительные облачные структуры — 1000 км.
Тёмные полосы и светлые зоны, параллельные экватору, соответствуют атмосферным течениям разного направления (одни отстают от вращения планеты, другие его опережают). Скорости этих течений — до 100 м/с. На границе разнонаправленных течений образуются гигантские завихрения.
Особенно впечатляет Большое Красное Пятно — колоссальный атмосферный вихрь эллиптической формы размером около 15×30 тыс. километров. Когда он возник — неизвестно, но в наземные телескопы он наблюдается уже 300 лет. Этот антициклон иногда почти исчезает, а затем появляется вновь. Очевидно, он родственник земных антициклонов, но из-за своих размеров гораздо более долгоживущий. Время жизни Большого Красного Пятна оценивается в сотни и даже тысячи лет. Период круговорота вещества в этом вихре составляет неделю. В атмосфере Юпитера наблюдались подобные же вихри меньших размеров с небольшим (порядка двух лет) временем жизни.
«Вояджеры» зафиксировали очень сильные разряды молний, но никто пока не слышал юпитерианского грома. Возможно, когда-нибудь удастся запустить в атмосферу Юпитера долгоживущую научную станцию- дирижабль и поближе познакомиться с его штормами, грозами и циклонами.
ОКЕАН
Юпитерианский океан состоит из главного на планете элемента — водорода. При достаточно высоком давлении водород превращается в жидкость. Вся поверхность Юпитера под атмосферой — это огромный океан сжиженного молекулярного водорода.
Какие волны возникают в океане жидкого водорода при сверхплотном ветре со скоростью 100 м/с? Вряд ли поверхность водородного моря имеет чёткую границу: при больших давлениях на ней образуется газожидкая водородная смесь. Это выглядит как непрерывное «кипение» всей поверхности юпитерианского океана. Падение в него кометы в 1994 г. Вызвало исполинские волны многокилометровой высоты.
По мере погружения в океан Юпитера на протяжении 20 тыс. километров быстро увеличиваются давление и температура. Когда же это закончится? На расстоянии 46 тыс. километров от центра Юпитера давление достигает 3 млн атмосфер, температура — 11тыс. градусов. (Напомним, что температура поверхности Солнца около 6 тыс. градусов.) Водород не выдерживает высокого давления и переходит в жидкое металлическое состояние.
Всем хорошо знаком такой жидкий металл, как ртуть. А что представляет собой жидкий металлический водород? Сказать трудно, ведь он не наблюдался в лабораторных условиях. Металлический водород должен быть щелочным металлом. Молекулы водорода распадаются на атомы, электроны отщепляются, и жидкость становится электропроводящей. Буйство магнитогидродинамических, электрических и конвекционных процессов, протекающих во втором, нижнем океане Юпитера представить непросто — уравнения получаются сверхсложные даже для современных компьютеров. Но результат их действия налицо: они генерируют мощное магнитное поле планеты. Если бы можно было увидеть свечение магнитосферы Юпитера, взаимодействующей с солнечным ветром из электронов и протонов, то на нашем небе вокруг Юпитера появилась бы медузообразная структура крупнее Луны.
ЯДРО
Погрузимся ещё на 30 тыс. километров, во второй океан Юпитера. Ближе к центру температура достигает 30 тыс. градусов, а давление — 100 млн атмосфер: здесь располагается небольшое («всего» в 15 масс Земли!) ядро планеты, которое в отличие от океана состоит из камня и металлов. Ничего удивительного в этом нет — ведь и Солнце содержит примеси тяжёлых элементов. Ядро сформировалось в результате слипания частиц, состоящих из тяжёлых химических элементов.
КОЛЬЦО ЮПИТЕРА
Юпитер преподносит много сюрпризов: он генерирует мощные полярные сияния, сильные радиошумы; возле него межпланетные аппараты наблюдают пылевые бури — потоки мелких твёрдых частиц, выброшенных в результате электромагнитных процессов в магнитосфере Юпитера. Мелкие частицы, которые получают электрический заряд при облучении солнечным ветром, обладают очень интересной динамикой: являясь промежуточным случаем между макро- и микротелами, они примерно одинаково реагируют и на гравитационные, и на электромагнитные поля.
Именно из таких мелких каменных частиц в основном состоит кольцо Юпитера, открытое в марте 1979 г. (косвенное обнаружение кольца в 1974 г. по данным «Пионера» осталось непризнанным). Его главная часть имеет радиус 123–129 тыс. километров. Это плоское кольцо около 30 км толщиной и очень разреженное — оно отражает лишь несколько тысячных долей процента падающего света. Более слабые пылевые структуры тянутся от главного кольца к поверхности Юпитера и образуют над кольцом толстое гало, простирающееся до ближайших спутников. Увидеть кольцо Юпитера с Земли практически невозможно: оно очень тонкое и постоянно повёрнуто к наблюдателю ребром из-за малого наклона оси вращения Юпитера к плоскости его орбиты.
В кольцевой системе выделяют четыре основных компонента:
Толстый тор из частиц — «кольцо-гало» (англ. halo ring).
1. Относительно яркое, очень тонкое «Главное кольцо». Внешний край располагается на расстоянии 129000 км от Юпитера и совпадает с орбитой самого маленького внутреннего спутника Юпитера, Адрастеи. Внутренний край не совпадает с орбитой какого-либо спутника и лежит на расстоянии 122500 км.
2. Два широких и слабых внешних кольца — «паутинные кольца». Называются по материалу спутников, которые их формируют: Амальтеи и Фивы.
Размер колец: толщина — всего несколько десятков километров, но диаметр может достигать нескольких сотен тысяч километров. Система колец представляет собой очень разреженное образование, оптическая толщина которого очень мала, и его наблюдение затруднено.
СПУТНИКИ
Спутники Юпитера — естественные спутники планеты Юпитер. На май 2026 года известно 115 спутников Юпитера. Кроме того, у Юпитера есть система колец.
Спутники Юпитера — это интереснейшие миры, каждый со своим «лицом» и историей, которые открылись нам только в космическую эру.
ИО.
Это самый близкий к Юпитеру галилеев спутник, он удалён от центра планеты на 422 тыс. километров, т.е. чуть дальше, чем Луна от Земли. Благодаря огромной массе Юпитера период обращения Ио гораздо короче лунного месяца и составляет всего 42,5 ч. Для наблюдателя в телескоп это самый непоседливый спутник: практически каждый день Ио видна на новом месте, перебегая с одной стороны Юпитера на другую.
По массе и радиусу (1815 км) Ио похожа на Луну. Самая сенсационная особенность Ио заключается в том, что она вулканически активна! На её жёлто-оранжевой поверхности «Вояджеры» обнаружили 12 действующих вулканов, извергающих султаны высотой до 300 км. Основной выбрасываемый газ — диоксид серы, замерзающий потом на поверхности в виде твёрдого белого вещества. Доминирующим оранжевым цветом спутник обязан соединениям серы. Вулканически активные области Ио нагреты до 300 °C.
Это, должно быть, величественное зрелище — фонтан газа высотой 300 км. Мощный подземный гул сотрясает почву, из жерла вулкана с огромной скоростью (до 1 км/с) вылетают вместе с газом камни и после свободного безатмосферного падения с огромной высоты врезаются в поверхность во многих сотнях километров от вулкана. Из некоторых вулканических кальдер (так называются котлообразные впадины, образовавшиеся вследствие провала вершины вулкана) выплёскивается расплавленная чёрная сера и растекается горячими реками. На фотграфиях «Вояджеров» видны чёрные озёра и даже целые моря расплавленной серы.
Крупнейшее лавовое море возле вулкана Локи имеет размер 200 км в поперечнике. В центре его расположен потрескавшийся оранжевый остров из твёрдой серы. Чёрные моря Ио медленно колышутся в оранжевых берегах, а в небе над ними нависает громада Юпитера. Существование таких пейзажей вдохновило многих художников.
Вулканическая активность Ио обусловлена гравитационным влиянием на неё других тел системы Юпитера. Прежде всего сама гигантская планета своим мощным тяготением создала два приливных горба на поверхности спутника, которые затормозили вращение Ио, так что она всегда обращена к Юпитеру одной стороной — как Луна к Земле. Поскольку орбита Ио не точный круг, горбы слегка перемещаются по её поверхности, что приводит к разогреву недр. В ещё большей степени этот эффект вызывается приливным воздействием других массивных спутников Юпитера, в первую очередь ближайшей к Ио Европы (кстати, периоды обращения этих спутников находятся в резонансе 1 : 2, на один оборот Европы приходится два оборота Ио). Колебания приливных горбов так разогрели недра Ио, что сейчас она является самым вулканически активным телом Солнечной системы.
В отличие от земных вулканов, у которых мощные извержения эпизодичны, вулканы на Ио «работают» практически не переставая, хотя активность их может меняться. Вулканы и гейзеры выбрасывают часть вещества даже в космос. Поэтому вдоль орбиты Ио тянется плазменный шлейф из ионизованных атомов кислорода и серы и нейтральных облаков атомарных натрия и калия, образуя похожее на бублик пространственное тело, называемое в математике тором.
Ударные кратеры на Ио отсутствуют из-за интенсивной вулканической переработки поверхности. На ней есть каменные массивы высотой до 9 км. Плотность Ио довольно высока — 3000 кг/м3. Под частично расплавленной оболочкой из силикатов в центре спутника расположено ядро с большим содержанием железа и его соединений.
ЕВРОПА
Европа чуть меньше (радиус 1569 км), чем Ио, и совсем не похожа на свою бурную соседку. Из галилеевых спутников у Европы самая светлая поверхность с явными признаками водяного льда. Видимо, под ледяной корой в несколько десятков километров существует водный океан, а в центре — массивное силикатное ядро. Плотность спутника высока — 3500 кг/м3. Разница в составе Ио и Европы связана с большей удалённостью последней от Юпитера — на расстояние 671 тыс. километров.
Геологическая история Европы не имеет ничего общего с историей соседних спутников. Это одно из самых гладких твёрдых тел в Солнечной системе. На Европе нет возвышенностей более 100 м высотой. Вся её молодая ледяная поверхность покрыта сетью светлых и тёмных узких полос огромной протяжённости. Тёмные полосы длиной в тысячи километров — это следы глобальной системы трещин. Ледяная кора довольно подвижна и неоднократно раскалывалась от внутренних напряжений и крупномасштабных тектонических процессов.
Из-за того, что поверхность молодая («всего» 100 млн лет), на ней почти не заметно ударных метеоритных кратеров, которые в большом количестве возникали 4,5 млрд, лет назад. Учёные нашли на Европе только пять кратеров диаметрами 10–30 км.
ГАНИМЕД
Ганимед — крупнейший спутник планеты в Солнечной системе, его радиус 2631 км. Он вращается на расстоянии 1,07 млн километров от Юпитера. 40% поверхности Ганимеда представляют собой древнюю мощную ледяную кору, покрытую многочисленными метеоритными кратерами. Эта кора была частично разломана и обновлена активными геологическими процессами примерно 3,5 млрд лет назад. Те же процессы породили странные области, покрытые бороздами; они занимают остальные 60% площади Ганимеда.
С точки зрения космического геолога Ганимед — самое привлекательное тело среди спутников Юпитера. Он имеет смешанный силикатно-ледяной состав: мантию из водяного льда и каменное ядро. Его плотность 1930 кг/м3. Понятие «водяной лёд» применительно к Ганимеду и другим спутникам Юпитера имеет непривычное для нас значение. В условиях низких температур и высоких внутренних давлений водяной лёд может существовать в нескольких модификациях с различными типами кристаллической решётки. Богатая геология Ганимеда во многом определяется сложными переходами между этими разновидностями льда. Поверхность спутника припорошена слоем рыхлой каменно-ледяной пыли толщиной от нескольких метров до нескольких десятков метров.
КАЛЛИСТО
Это второй по величине спутник в системе Юпитера, его радиус 2400 км. Среди галилеевых это самый дальний спутник: расстояние от Юпитера 1,88 млн километров, период орбитального вращения 16,7 суток. Если представить Юпитер 10-сантиметровым шаром (яблоком), то Каллисто будет 3-миллиметровой булавочной головкой на расстоянии 130 см от него. Плотность силикатно-ледяной Каллисто низка — 1830 кг/м3. В отличие от Ганимеда вся древняя ледяная поверхность Каллисто предельно насыщена метеоритными кратерами. А её тёмный цвет — результат силикатных и других примесей.
Вероятно, Каллисто — самое кратерированное тело Солнечной системы. Космическим геологам там не скучнее, чем на Ганимеде. Огромной силы удар метеорита вызвал образование гигантской структуры, окружённой кольцевыми волнами, — Вальхаллы. В центре её находится кратер диаметром 350 км, а в радиусе 2000 км от него концентрическими кругами располагаются горные хребты.