Космически науки 

По-задълбочен поглед към Юпитер

Космическият апарат Джуно е направил прецизни измервания на гравитационното поле на Юпитер. Информацията разкрива детайли в структурата и динамиката на вътрешността на планетата.

Обичайно повърхността на планетата разкрива твърде малко за процесите, протичащи под нея. Повърхността на Юпитер е съставена от редуващи се светли и тъмни ивици газ, криещи силни ветрове, които духат в насрещни посоки и могат да достигнат скорост от повече от 100 метра в секунда. Но под нея се случва нещо, което остава скрито. Какво е то? И по-специално, дали вътрешността на планетата е толкова динамична, колкото и повърхността ѝ? В три статии в Nature (13), учените използват малки характеристики на гравитационното поле на Юпитер, за да зададат тези въпроси и да подобрят нашето разбиране за вътрешната динамика на подобни газови гиганти.

Вътрешността на Юпитер представлява плътен флуид, съставен от водород и хелий. Загубата на енергия от вътрешността създава конвективни течения вътре в планетата, които достигат до повърхността. Нито някое изследване през последните няколко десетилетия, свързано с физиката на водорода и хелия под високо налягане, нито прецизните измервания на гравитационното поле на Юпитер от космически апарати, нито подобрените методи за моделиране на структурата на планетата са успели да установят механизма на работа на тази конвекция и това, дали конвективните потоци във вътрешността са свързани с ивичестия външен вид на повърхността (фиг.1).

Фиг.1. Повърхността на Юпитер, заснета от космическия апарат JunoДжуно. Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill
Фиг.1. Повърхността на Юпитер, заснета от космическия апарат JunoДжуно. Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

Възможно е ивиците да са просто феномен, присъщ на повърхността, и конвекцията във вътрешността да притежава съвсем различна структура от тази на повърхността. Друго предположение пък твърди обратно – това, което може да бъде наблюдавано на повърхността, би могло да представлява продължението на дълбоко разположени конвективни потоци, които изнасят енергията извън вътрешността. В подкрепа на двете мнения са развити сложни модели, които да обяснят структурата на ивиците (4, 5). Главна цел на мисията Джуно до Юпитер – най-близкия газов гигант до Земята – е да определи кое от двете е вярното. И понеже подобни планети са често срещани в галактиката ни (6), постигането на тази цел би имала важни последици върху разбиранията ни за този клас астрофизични обекти.

Лусиано Айес и екипът му (1) проследяват ускорението на Джуно в нейната близка елиптична орбита около Юпитер, като наблюдават промяната в честотата, позната като Доплерово изместване, на радиовълните, пратени обратно към Земята. Малките аномалии в сигналите разкриват детайли за разпределението на масата на Юпитер. Но проследяването на Джуно се оказва не толкова лесен подвиг: на авторите се налага да вземат под внимание и други малки ускорения на апарата, включително тези, които са причинени от поглъщането и отразяването на слънчева светлина. Екипът постига това чрез използване на сложен модел на получената и изхабената от кораба енергия.

Най-смайващото откритие на екипа е съществуването на компонент от гравитационното поле на Юпитер, който показва съразмерност между север и юг – странно откритие за подобен бързовъртящ се газов гигант. Каспи и екипът му (2) ни показват, че тази особеност е резултат от асиметрията по географската ширина в скоростта на ветровете на повърхността. Единственият начин, по който тези ветрове могат да повлияят на гравитационното поле на планетата е, ако те преди това са се намирали сравнително дълбоко и са включвали съществено количество маса. Това предполага, че ивиците на планетата не са просто феномен на повърхността, което от своя страна отговаря на поставения въпрос.

Каспи и колегите му показват също, че силата на ветровете намалява постепенно в дълбочина до 3000 километра под повърхността на Юпитер (грубо 1/20 от радиуса на планетата), място, в което налягането е около 100 000 пъти по-голямо от това на атмосферата на Земята. Обемът на Юпитер, в който възникват тези ветрове, съставлява около 1% от масата на планетата.

Гийо и екипът му (3) потвърждават тези измервания за дълбочината, отчетена от Каспи и колегите му, използвайки симетричния компонент от гравитационното поле на Юпитер. Те демонстрират, че под тази дълбочина вътрешността на планетата се върти като твърдо тяло, независимо от газообразния ѝ характер. Това е в съответствие с предположението, че водородът се йонизира, за да произведе свободно движещи се протони и електрони в такава среда с високо налягане. Тези частици произвеждат силни спирачни сили, които потушават движещите се в различни посоки ветрове (7).

Трите изследвания потвърждават предишните предположения, че високопрецизните измервания на гравитационното поле, на която и да е планета, могат да бъдат използвани за получаване на отговорите на въпроси, свързани с движенията, които протичат в планетите (8, 9). По отношение на бъдещата си работа, учените ще могат да използват Джуно за измерване на дълбочината на бурите на Юпитер като Голямото червено петно, или да наблюдават реакциите на планетата към теченията, причинени от нейните големи луни. Подобни анализи биха дали по-обширни познания за вътрешността на планетата.

Работата, демонстрирана тук, е невероятно тежка, сравнена с други изводи, направени с помощта на информация, добита от Juno, включително за масата и плътността на първичното ядро на Юпитер (10), които са донякъде зависими от модели и разчитат на нашето непълно разбиране за физиката на водорода под екстремно налягане. Аз лично не предвиждам друг такъв скок в знанието за вътрешността на планетата след края на мисията Juno, освен ако астрономите не успеят да изучат вътрешните ѝ осцилациим (11), каквото вече е направено за Слънцето (12).

Предвид присъщата сложност на планетите, сравнителната планетарна наука се е превърнала в съществена рамка, с помощта на която да се изучават тези астрофизични обекти. За щастие, Юпитер си има подобен на себе си газов гигант, Сатурн. Мисията Cassini на НАСА до Сатурн, която приключи през 2017, осигури информация, подобна на тази от Juno, за гравитационното поле на Сатурн, която понастоящему се анализира (13). И понеже Сатурн притежава по – слабо вътрешно налягане от това на Юпитер, атмосферните му ветрове трябва да достигат по – надълбоко във вътрешността му, преди йонизацията на водорода и свързаните с нея спирачни сили да поемат контрола. Ако може да се създаде съвместима физична картина на двата газови гиганта на Слънчевата система, то тя би изминала дълъг път към обобщаването на разбиранията ни за вътрешната динамика на този клас астрофизични обекти.

 

Превод: Христина Дилева

Източник: Nature

Добави коментар

avatar
  Subscribe  
Извести ме

Related posts

By continuing to use the site, you agree to the use of cookies. more information

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close