Onko Jupiterilla kiinteä ydin?

Kaasujättiläiset ovat aina olleet meille arvoitus. Niiden tiheiden ja pyörteisten pilvien vuoksi niiden sisälle on mahdotonta päästä kunnolla kurkistamaan ja määrittämään niiden todellista rakennetta. Koska ne ovat kaukana Maasta, avaruusalusten lähettäminen niiden luokse on aikaa vievää ja kallista, joten tutkimusmatkat ovat harvinaisia. Ja niiden voimakkaan säteilyn ja voimakkaan painovoiman vuoksi kaikki niitä tutkimaan pyrkivät lennot on tehtävä varovasti.

Ja silti tutkijat ovat jo vuosikymmeniä olleet sitä mieltä, että tällä massiivisella kaasujättiläisellä on kiinteä ydin. Tämä on sopusoinnussa nykyisten teorioiden kanssa siitä, miten aurinkokunta ja sen planeetat muodostuivat ja vaelsivat nykyisille paikoilleen. Vaikka Jupiterin uloimmat kerrokset koostuvat pääasiassa vedystä ja heliumista, paineen ja tiheyden kasvu viittaa siihen, että lähempänä ydintä asiat muuttuvat kiinteiksi.

Rakenne ja koostumus:

Jupiter koostuu pääasiassa kaasumaisesta ja nestemäisestä aineesta, jonka alla on tiheämpää ainetta. Sen yläilmakehä koostuu noin 88-92 % vedystä ja 8-12 % heliumista kaasumolekyylien tilavuusprosentin mukaan ja noin 75 % vedystä ja 24 % heliumista massan mukaan, ja loput yksi prosentti koostuu muista alkuaineista.

Kehän ilmakehässä on jälkiä metaanista, vesihöyrystä, ammoniakista ja piipohjaisista yhdisteistä sekä jälkiä bentseenistä ja muista hiilivedyistä. Myös hiiltä, etaania, rikkivetyä, neonia, happea, fosfiinia ja rikkiä on pieniä määriä. Myös jäätyneen ammoniakin kiteitä on havaittu ilmakehän uloimmassa kerroksessa.

Sisäilmakehässä on tiheämpää ainetta siten, että jakauma on noin 71 % vetyä, 24 % heliumia ja 5 % muita alkuaineita massaltaan. Jupiterin ytimen uskotaan olevan tiheä sekoitus alkuaineita – ympäröivä kerros on nestemäistä metallista vetyä, jossa on jonkin verran heliumia, ja ulompi kerros koostuu pääasiassa molekyylivetystä. Ytimen on kuvattu olevan myös kivinen, mutta sekin on edelleen tuntematon.

Vuonna 1997 ytimen olemassaoloon viittasivat gravitaatiomittaukset, jotka osoittivat sen massan olevan 12-45 kertaa Maan massa, eli noin 4-14 % Jupiterin kokonaismassasta. Ytimen olemassaoloa tukevat myös planeettojen muodostumisen mallit, jotka osoittavat, miten kivinen tai jäinen ydin olisi ollut välttämätön jossain vaiheessa planeetan historiaa, jotta se olisi voinut kerätä kaiken vedyn ja heliumin protosolarisumusta.

On kuitenkin mahdollista, että tämä ydin on sittemmin kutistunut kuuman, nestemäisen, metallisen vedyn konvektiovirtausten sekoittuessa sulaan ytimeen. Tämä ydin saattaa jopa puuttua nyt, mutta tarvitaan yksityiskohtaista analyysia, ennen kuin tämä voidaan vahvistaa. Elokuussa 2011 laukaistun Juno-lentolennon (ks. alla) odotetaan antavan jonkin verran tietoa näistä kysymyksistä ja siten edistävän ytimen ongelman ratkaisemista.

Synty ja siirtyminen:

Nykyiset teoriamme aurinkokunnan muodostumisesta väittävät, että planeetat muodostuivat noin 4,5 miljardia vuotta sitten Aurinkosumusta (eli Nebula-hypoteesi). Tämän teorian mukaisesti Jupiterin uskotaan muodostuneen sen seurauksena, että painovoima veti pyöriviä kaasu- ja pölypilviä yhteen.

Jupiter sai suurimman osan massastaan Auringon muodostumisen yhteydessä jäljelle jääneestä aineksesta, ja sen massa oli lopulta yli kaksi kertaa suurempi kuin muiden planeettojen yhteenlaskettu massa. Itse asiassa on arveltu, että jos Jupiterille olisi kertynyt enemmän massaa, siitä olisi tullut toinen tähti. Tämä perustuu siihen, että sen koostumus on samanlainen kuin Auringon – se koostuu pääasiassa vedystä.

Lisäksi nykyiset aurinkokunnan muodostumisen mallit viittaavat myös siihen, että Jupiter muodostui kauempana nykyisestä sijainnistaan. Niin sanotun Grand Tack -hypoteesin mukaan Jupiter vaelsi kohti Aurinkoa ja asettui nykyiselle paikalleen noin 4 miljardia vuotta sitten. Tämän vaelluksen on väitetty saattaneen johtaa aurinkokuntamme aikaisempien planeettojen tuhoutumiseen – joihin saattoi kuulua myös lähempänä Aurinkoa sijaitsevia supermaita.

Tutkimus:

Vaikka se ei ollut ensimmäinen Jupiterissa vieraillut robottiavaruusalus tai ensimmäinen, joka tutki Jupiteria kiertoradalta käsin (näin teki Galileo-luotain vuosina 1995-2003), Juno-luotainlentoaseman tehtävänä oli kuitenkin tutkia Jupiter-jättiläisen syvempiä salaisuuksia. Näitä ovat muun muassa Jupiterin sisätilat, ilmakehä, magnetosfääri ja painovoimakenttä sekä planeetan muodostumishistorian selvittäminen.

Lähetys laukaistiin elokuussa 2011, ja se saavutti Jupiterin kiertoradan 4. heinäkuuta 2016. Kun luotain saapui polaarielliptiselle kiertoradalleen, sen jälkeen kun se oli saanut päätökseen 35 minuuttia kestävän päämoottorin laukaisun, joka tunnetaan nimellä Jupiter Orbital Insertion (tai JOI). Kun luotain lähestyi Jupiteria sen pohjoisnavan yläpuolelta, sille avautui näkymä Jupiterin järjestelmään, josta se otti viimeisen kuvan ennen JOI:n aloittamista.

Sen jälkeen Juno-avaruusalus on suorittanut perijove-manöövereitä – joissa se kulkee pohjoisen polaarialueen ja eteläisen polaarialueen välillä – noin 53 päivän välein. Se on suorittanut 5 perijovea sen jälkeen, kun se saapui kesäkuussa 2016, ja sen on määrä suorittaa yhteensä 12 perijovea ennen vuoden 2018 helmikuuta. Tässä vaiheessa, ellei tehtävää jatketa, luotain poistuu kiertoradalta ja palaa Jupiterin ulommassa ilmakehässä.

Juno kerää jäljellä olevien ohitustensa aikana lisää tietoa Jupiterin painovoimasta, magneettikentistä, ilmakehästä ja koostumuksesta. Näiden tietojen toivotaan opettavan meille paljon siitä, miten Jupiterin sisäosan, ilmakehän ja magnetosfäärin välinen vuorovaikutus ohjaa planeetan kehitystä. Ja tietysti sen toivotaan antavan lopullista tietoa planeetan sisäisestä rakenteesta.

Onko Jupiterilla kiinteä ydin? Lyhyt vastaus on, että emme tiedä… vielä. Todellisuudessa sillä voi hyvinkin olla raudasta ja kvartsista koostuva kiinteä ydin, jota ympäröi paksu kerros metallista vetyä. On myös mahdollista, että tämän metallisen vedyn ja kiinteän ytimen välinen vuorovaikutus aiheutti sen, että planeetta menetti sen jokin aika sitten.

Tässä vaiheessa voimme vain toivoa, että meneillään olevat tutkimukset ja tutkimuslennot tuottavat lisää todisteita. Ne eivät todennäköisesti ainoastaan auta meitä tarkentamaan käsitystämme Jupiterin sisäisestä rakenteesta ja sen muodostumisesta, vaan myös tarkentavat käsitystämme aurinkokunnan historiasta ja sen synnystä.