Юпитер — пятая планета Солнечной системы по расстоянию до Солнца. Эта первая среди газообразных, то есть «молодых», планет до недавних пор считалась самой крупной и имеющей наибольшую массу среди планет Солнечной системы. Юпитер известен еще с античных времен в связи с тем, что является одним из самых ярких светил на небосводе. Среди планет ярче только Венера, но в отличие от Юпитера она отсутствует в ночном небе.
В греческой мифологии, а затем в римской, эта планета идентифицировалась с небесным властителем, главным олимпийским божеством, древнегреческим Зевсом и древнеримским Юпитером.
Исторические наблюдения. Галилей в 1610 году первым использовал простую подзорную трубу, в которую он наблюдал диск Юпитера. Он описал планету в своем трактате, опубликованном в «Звездном вестнике», изобразив ее как сплющенную букву «о», подчеркнув, что планета не совсем круглая. Ученый разглядел также 4 больших спутника: Ио, Европу, Ганимеда и Каллисто, названных галилеевскими, или спутниками Медичи, — эти имена пизанский астроном дал им в честь своих меценатов. На диске Юпитера расположены полосы, которые эти спутники пересекают, обращаясь вокруг планеты; впервые это наблюдал в 1630 году Дзукки, тогда как Роберт Кук в 1664 году начал говорить о пятнах.
Джандоменико Кассини открыл в 1665 году Большое Красное Пятно, крупную овальную аномалию в южной тропической зоне планеты; это пятно он использовал для первой оценки периода вращения Юпитера, получив 9 ч 56 мин. Он провел также достаточно детальные наблюдения аномалий экваториальной полосы, уточнив период вращения: 9 ч 51 мин. Разница между периодами вращения на разных широтах указывала на то, что наблюдаемые структуры не свойственны для плотной поверхности. Кассини измерил также полярную приплюснутую зону планеты, составившую 1/15 часть ее диаметра.
Вопрос о физической природе планеты оставался открытым все XIX столетие. Поначалу думали, что у нее такой же состав, как и у Земли. В последние годы столетия завоевала популярность теория, допускающая наличие большой атмосферы с высокими, очень холодными облаками. В эти же годы методом спектрального анализа были исследованы полосы Юпитера, обладающие поглощающими способностями, определяемыми по наличию выше облачного слоя метана и аммония.
Зонды, отправленные к Юпитеру. Всего к планете было направлено 6 зондов: «Пионер-10 и 11», «Вояджер-1 и 2», «Уллис» и «Галилей».
Зонды серии «Пионер» были запущены соответственно в 1972 и в 1973 годах. В 1979 году «Пионер-11» успешно долетел до Сатурна, Благодаря проекту «Пионер» человеку впервые удалось вблизи исследовать далекие газообразные планеты. Оба зонда были оборудованы носителями информации о человеке на случай, если во время долгого космического полета произойдет контакт с разумными существами. Проект «Вояджер» оказался еще более дерзким: использовать парад «заземельных» планет, бывающий раз в 200 лет, что дало бы возможность за один полет посетить Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. «Вояджер-1» долетел до Юпитера по кратчайшей траектории в марте 1979 года и отослал на Землю множество изображений и данных, для обработки которых потребовались годы. «Вояджер-2» пошел еще дальше, облетев «галилеевы» спутники, передав удивительную панораму, после чего продолжил свое путешествие к Нептуну. Основной целью зонда «Уллис» был не Юпитер, а полярные области Солнца. Чтобы достичь этой цели и выйти с плоскости эклиптики, «Уллис» использовал гравитационное притяжение газообразного гиганта, пройдя под его экваториальной плоскостью. Поскольку зонд не был оборудован соответствующим фотооборудованием, изображений «Уллис» не передавал, но он смог изучить юпитерианское магнитное поле. Вероятно, из-за вращающегося вокруг Юпитера плазменного кольца данные о напряженности магнитного поля, полученные зондом «Уллис», оказались выше, чем в момент пролета «Вояджера». Эта плазма образуется в результате частичной ионизации под влиянием частиц солнечного ветра серы и кислорода, извергаемых вулканами спутников планеты.
И наконец, зонд «Галилей» достиг Юпитера в конце 1995 года и также произвел ряд удивительных открытий как в отношении самой планеты, так и в отношении ее спутников. Одной из первоочередных целей полета был вброс маленького модуля в атмосферу Юпите- ра, при этом материнский зонд оставался на околопланетной орбите. Модуль вошел в атмосферу в декабре 1995 года и выдерживал агрессивные температурные и барометрические условия в течение 57 мин, в течение которых успел углубиться приблизительно на 200 км. Результаты показали, что плотность и температура гораздо выше ожидаемых. В исследованной части атмосферы облаков и водяного пара не оказалось, в отличие оттого, что показали замеры, сделанные зондом «Вояджер». С другой стороны, процентное содержание гелия, неона, кислорода и серы оказалось ниже предсказанного учеными.
Дифференцированное вращение. Из всех планет Солнечной системы у Юпитера самый короткий период вращения. Как все газообразные планеты, вращение Юпитера дифференцированно. Иными словами, он вращается не как твердое тело, а таким образом, что у каждой широты своя скорость вращения.
В отличие от Солнца, период вращения которого мало зависит от широты, у Юпитера более сложные и уникальные зависимости, которые могут быть связаны и с движением атмосферных потоков. Период меняется от 9 ч 50 мин для экваториального пояса до 9 ч 55 мин в полярных областях, Высокая скорость вращения привела к сплющиванию планеты. Полярный диаметр планеты 134 700 км, тогда как экваториальный — 143 000 км.
Недра Юпитера. Ядро Юпитера компактное, состоит не только из сжатых водорода и гелия, но также и из каменистых пород. Его масса составляет около 4% общей массы планеты. Над ядром находится слой так называемого металлического водорода, то есть слой, в котором электроны не связаны с собственными протонами, а являются свободными, как в атомах металлов. «Металлическое» состояние водорода возникает вследствие давления около 3 млн земных атмосфер. На расстоянии приблизительно 0,7 радиуса планеты от ее центра находится область переноса между слоем металлического водорода и слоем, состоящим из жидкой смеси гелия и молекулярного водорода. И наконец, выше — атмосфера, состоящая в основном из газообразных водорода и гелия; присутствует и ряд других веществ.
Измерения, сделанные как с Земли, так и зондами, позволили обнаружить, что выделяемая Юпитером энергия, в основном в виде инфракрасного излучения, приблизительно в 1,5 раза больше получаемой им от Солнца.
Отсюда ясно, что Юпитер обладает значительным запасом тепловой энергии, образовавшимся в момент коллапса материи при образовании планеты. В целом считается, что в юпитерианских недрах все еще очень жарко — около 30 000 ^oК.
Атмосфера. Единственная видимая часть Юпитера — это атмосферные облака и пятна. Облака располагаются параллельно экватору в зависимости от восходящих теплых и нисходящих холодных потоков, они светлые или темные.
Состав атмосферы: метан, аммиак, водород, гелий, углеродные соединения, азот и другие вещества- Идущие от Солнца ультрафиолетовые лучи расщепляют сложные вещества атмосферы на более простые.
Облака, находящиеся на разной высоте, имеют свой цвет. Самые высокие из них красные, чуть пониже находятся белые, еще ниже коричневые, а в самом нижнем слое — синеватые.
На Юпитере дуют более сильные, чем земные, то восточные, то западные ветры.
Пятна, возможно, представляют собой более или менее постоянные вихри, находящиеся над стационарным потоком ветров.
Магнитное поле. Юпитер обладает мощной магнитосферой, интенсивность которой почти в 12 раз превышает интенсивность магнитного поля нашей планеты. Магнитная ось откланена от оси вращения почти на 11^o.
Существование магнитного поля объясняется существованием в недрах Юпитера вязкого металлического водорода, который, будучи хорошим проводником, вращающимся с большой скоростью, создает магнитные поля. Характеристики юпитериа некого магнитного поля отличая тся от соответствующих земных характеристик. При этом магнитные полюса планет расположены инвертно в отношении друг к другу, и стрелка компаса но этом газообразное гиганте повернута к югу, а не к северу.
Магнитосферу на Юпитере формирует также солнечный ветер, при этом образуется зона, в которой заряженные частицы отсутствуют (магнитопауза), — плазменный диск и хвост, тянущийся до Сатурна.
Кольца. Кольца Юпитера, окружая планету перпендикулярно экватору, находятся на высоте 55 000 км от атмосферы.
Они были открыты зондом «Вояджер», с тех пор с Земли за ними ведется наблюдение. Существуют два основных кольца и одно, очень тонкое, внутреннее, с характерной оранжевой окраской.
Толщина колец, похоже, не превышает нескольких километров. Сами кольца состоят в основном из пыли и мелких фрагментов, плохо отражающих солнечные лучи, а потому они плохо различимы.
Спутники. На сегодняшний день известно16 спутников Юпитера, самые главные из них — открытые Галилеем: Ио, Европа, Ганимед, Каллисто.
Изображение и анализы этих спутников были получены зондами «Вояджер» и «Галилей». Ио подвержена огромным приливно-отливным воздействиям, вызываемым близостью Юпитера; они проявляются в распространенной, периодически активизирующейся вулканической деятельности. Спутник сильно нагревается от вулканических извержений и покрыт длинными потоками магматических выбросов. Лава представляет собой сернистую базальтовую массу.
На Ио «Вояджер-1» впервые в истории наблюдал внеземное извержение.
Европа, возможно, еще более интересный спутник. Слой льда, покрывающий всю планету, в некоторых областях имеет сколы, в которых видны отдельные глыбы льда, что может указывать на наличие подо льдом жидкого океана с более высокой температурой. Возникновение перепада температур может объясняться эффектом «прилив — отлив», создаваемым Юпитером. Если эти предположения подтвердятся, то не исключена вероятность существования под внешним слоем льда примитивных форм жизни.
Ганимед — небесное тело, похожее на нашу Луну с сеткой пересекающихся линий неправильной формы. На нем много кратеров, окруженных очень гладкими молодыми в возрастном отношении участками. Кратеры, судя по их жерлам, также недавно образованы.
И наконец, Каллисто: она покрыта слоем льда. На ней много кратеров, рельеф поверхности мелкий с множеством кольцеобразных аномалий, возникших из-за удара, происшедшего незадолго до формирования спутника.