Heeft Jupiter een vaste kern?

De gasreuzen zijn altijd een mysterie voor ons geweest. Door hun dichte en wervelende wolken is het onmogelijk om ze van binnen goed te bekijken en hun ware structuur te bepalen. Gezien hun afstand tot de aarde is het tijdrovend en duur om er ruimtevaartuigen naartoe te sturen, waardoor onderzoeksmissies zeldzaam zijn. En vanwege hun intense straling en sterke zwaartekracht moet elke missie die probeert ze te bestuderen, voorzichtig gebeuren.

En toch zijn wetenschappers al tientallen jaren van mening dat deze enorme gasreus een vaste kern heeft. Dit is in overeenstemming met onze huidige theorieën over hoe het zonnestelsel en zijn planeten zijn ontstaan en naar hun huidige posities zijn gemigreerd. Terwijl de buitenste lagen van Jupiter voornamelijk uit waterstof en helium bestaan, suggereren stijgingen in druk en dichtheid dat dichter bij de kern de dingen vast worden.

Structuur en samenstelling:

Jupiter bestaat voornamelijk uit gasvormige en vloeibare materie, met daaronder dichtere materie. Zijn bovenste atmosfeer bestaat uit ongeveer 88-92% waterstof en 8-12% helium in procent volume gasmoleculen, en ongeveer 75% waterstof en 24% helium in massa, waarbij de resterende 1% uit andere elementen bestaat.

De atmosfeer bevat sporen van methaan, waterdamp, ammoniak en op silicium gebaseerde verbindingen, alsmede sporen van benzeen en andere koolwaterstoffen. Er zijn ook sporen van koolstof, ethaan, waterstofsulfide, neon, zuurstof, fosfine, en zwavel. In de buitenste laag van de atmosfeer zijn ook kristallen van bevroren ammoniak waargenomen.

Het inwendige bevat dichtere materialen, zodanig dat de verdeling ruwweg 71% waterstof, 24% helium en 5% andere elementen in massa is. Aangenomen wordt dat de kern van Jupiter een dicht mengsel van elementen is – een omringende laag van vloeibare metallische waterstof met wat helium, en een buitenste laag die hoofdzakelijk uit moleculaire waterstof bestaat. De kern is ook beschreven als rotsachtig, maar ook dit blijft onbekend.

In 1997 werd het bestaan van de kern gesuggereerd door gravitatiemetingen, die een massa aangaven van 12 tot 45 maal de massa van de Aarde, of ruwweg 4%-14% van de totale massa van Jupiter. De aanwezigheid van een kern wordt ook ondersteund door modellen van planeetvorming die aangeven hoe een rotsachtige of ijzige kern op een bepaald moment in de geschiedenis van de planeet nodig zou zijn geweest om al zijn waterstof en helium uit de protosolaire nevel te verzamelen.

Het is echter mogelijk dat deze kern sindsdien gekrompen is als gevolg van convectiestromen van hete, vloeibare, metallische waterstof die zich met de gesmolten kern vermengt. Deze kern kan nu zelfs afwezig zijn, maar een gedetailleerde analyse is nodig om dit te kunnen bevestigen. De Juno-missie, die in augustus 2011 is gelanceerd (zie hieronder), zal naar verwachting enig inzicht verschaffen in deze vragen, en daarmee vooruitgang boeken in het probleem van de kern.

Vorming en migratie:

Onze huidige theorieën over de vorming van het zonnestelsel beweren dat de planeten ongeveer 4,5 miljard jaar geleden zijn gevormd uit een zonnennevel (d.w.z. de nevel-hypothese). In overeenstemming met deze theorie wordt aangenomen dat Jupiter is gevormd als gevolg van de zwaartekracht die wervelende gas- en stofwolken naar elkaar toe heeft getrokken.

Jupiter verkreeg het grootste deel van zijn massa uit materiaal dat overbleef na de vorming van de zon, en eindigde met meer dan twee keer de gecombineerde massa van de andere planeten. Er wordt zelfs beweerd dat als Jupiter meer massa had gekregen, hij een tweede ster zou zijn geworden. Dit is gebaseerd op het feit dat zijn samenstelling vergelijkbaar is met die van de zon – hij bestaat voornamelijk uit waterstof.

Bovendien wijzen de huidige modellen van de vorming van het zonnestelsel er ook op dat Jupiter verder weg van zijn huidige positie is gevormd. In wat bekend staat als de Grand Tack Hypothese, is Jupiter naar de zon toe gemigreerd en op zijn huidige positie terechtgekomen, ongeveer 4 miljard jaar geleden. Deze migratie, zo wordt beweerd, zou kunnen hebben geresulteerd in de vernietiging van de eerdere planeten in ons zonnestelsel – waartoe misschien ook de dichter bij de zon staande super-aardes behoren.

Verkenning:

Hoewel het niet het eerste robotachtige ruimtevaartuig was dat Jupiter bezocht, of het eerste dat Jupiter vanuit een baan om de aarde bestudeerde (dit werd gedaan door de Galileo sonde tussen 1995 en 2003), werd de Juno missie ontworpen om de diepere mysteries van de Joviaanse reus te onderzoeken. Deze omvatten Jupiters interieur, atmosfeer, magnetosfeer, zwaartekrachtveld, en het bepalen van de geschiedenis van de vorming van de planeet.

De missie lanceerde in augustus 2011 en bereikte een baan rond Jupiter op 4 juli 2016. Toen de sonde in zijn polaire elliptische baan kwam, na het voltooien van een 35 minuten durende afvuren van de hoofdmotor, bekend als Jupiter Orbital Insertion (of JOI). Toen de sonde Jupiter van boven zijn noordpool naderde, werd hem een blik gegund op het Joviaanse systeem, waarvan hij een laatste foto maakte voordat hij aan JOI begon.

Sinds die tijd heeft het Juno-ruimtevaartuig perijove-manoeuvres uitgevoerd – waarbij het tussen het noordelijke poolgebied en het zuidelijke poolgebied passeert – met een periode van ongeveer 53 dagen. Het heeft 5 perijoves voltooid sinds het in juni 2016 aankwam, en het is van plan om in totaal 12 perijoves uit te voeren voor februari 2018. Op dat moment, behoudens eventuele missie-uitbreidingen, zal de sonde de-orbited worden en opbranden in Jupiters buitenste atmosfeer.

Tijdens zijn resterende passes zal Juno meer informatie verzamelen over Jupiters zwaartekracht, magnetische velden, atmosfeer, en samenstelling. Men hoopt dat deze informatie ons veel zal leren over hoe de wisselwerking tussen het inwendige van Jupiter, zijn atmosfeer en zijn magnetosfeer de evolutie van de planeet stuurt. En natuurlijk hoopt men ook afdoende gegevens te verkrijgen over de structuur van het inwendige van de planeet.

Heeft Jupiter een vaste kern? Het korte antwoord is, dat weten we niet… nog niet. Het is heel goed mogelijk dat Jupiter een vaste kern heeft die bestaat uit ijzer en kwarts, omgeven door een dikke laag metallisch waterstof. Het is ook mogelijk dat interactie tussen deze metallische waterstof en de vaste kern ervoor gezorgd heeft dat de planeet deze enige tijd geleden verloren heeft.

Op dit moment kunnen we alleen maar hopen dat lopende onderzoeken en missies meer bewijs zullen opleveren. Deze zullen ons waarschijnlijk niet alleen helpen onze kennis van de interne structuur van Jupiter en zijn vorming te verfijnen, maar ook ons begrip van de geschiedenis van het zonnestelsel en hoe het is ontstaan, verfijnen.