Czy Jowisz ma stałe jądro?

Gazowe olbrzymy zawsze były dla nas zagadką. Ze względu na ich gęste i kłębiące się chmury, nie sposób dobrze zajrzeć do ich wnętrza i określić ich prawdziwej struktury. Biorąc pod uwagę ich odległość od Ziemi, wysyłanie do nich statków kosmicznych jest czasochłonne i kosztowne, co sprawia, że misje badawcze są rzadkością. A ze względu na intensywne promieniowanie i silną grawitację, każda misja, która próbuje je badać, musi to robić ostrożnie.

A jednak naukowcy od dziesięcioleci uważają, że ten masywny gazowy olbrzym ma stałe jądro. Jest to zgodne z naszymi obecnymi teoriami na temat tego, jak Układ Słoneczny i jego planety uformowały się i migrowały do swoich obecnych pozycji. Podczas gdy jego zewnętrzne warstwy Jowisza składają się głównie z wodoru i helu, wzrost ciśnienia i gęstości sugeruje, że bliżej jądra rzeczy stają się stałe.

Struktura i skład:

Jowisz składa się głównie z gazowej i płynnej materii, z gęstszą materią pod spodem. Jego górna atmosfera składa się z około 88-92% wodoru i 8-12% helu w procentach objętości cząsteczek gazu, oraz około 75% wodoru i 24% helu w masie, z pozostałym jednym procentem składającym się z innych pierwiastków.

Atmosfera zawiera śladowe ilości metanu, pary wodnej, amoniaku i związków na bazie krzemu, jak również śladowe ilości benzenu i innych węglowodorów. Występują również śladowe ilości węgla, etanu, siarkowodoru, neonu, tlenu, fosforu i siarki. Kryształy zamrożonego amoniaku zostały również zaobserwowane w najbardziej zewnętrznej warstwie atmosfery.

Wnętrze zawiera gęstsze materiały, takie, że rozkład jest w przybliżeniu 71% wodoru, 24% helu i 5% innych pierwiastków przez masę. Uważa się, że jądro Jowisza jest gęstą mieszanką pierwiastków – otaczająca je warstwa ciekłego metalicznego wodoru z pewną ilością helu oraz zewnętrzna warstwa składająca się głównie z wodoru molekularnego. Jądro zostało również opisane jako skaliste, ale to również pozostaje nieznane.

W 1997 roku istnienie jądra zostało zasugerowane przez pomiary grawitacyjne, wskazujące na masę od 12 do 45 razy większą od masy Ziemi, lub w przybliżeniu 4%-14% całkowitej masy Jowisza. Obecność jądra jest również wspierana przez modele formowania się planet, które wskazują jak skaliste lub lodowe jądro byłoby konieczne w pewnym momencie w historii planety, aby zebrać cały wodór i hel z mgławicy protosłonecznej.

Jednakże możliwe jest, że to jądro od tego czasu skurczyło się z powodu prądów konwekcyjnych gorącego, płynnego, metalicznego wodoru mieszającego się ze stopionym jądrem. Ten rdzeń może nawet być nieobecny teraz, ale szczegółowa analiza jest potrzebna zanim będzie można to potwierdzić. Oczekuje się, że misja Juno, która wystartowała w sierpniu 2011 roku (patrz poniżej), dostarczy pewnego wglądu w te pytania, a tym samym poczyni postępy w rozwiązaniu problemu jądra.

Formacja i migracja:

Nasze obecne teorie dotyczące formowania się Układu Słonecznego twierdzą, że planety uformowały się około 4,5 miliarda lat temu z Mgławicy Słonecznej (tj. Hipoteza Mgławicowa). Zgodnie z tą teorią, uważa się, że Jowisz uformował się w wyniku grawitacyjnego przyciągania wirujących chmur gazu i pyłu razem.

Jowisz nabył większość swojej masy z materiału pozostałego po formowaniu się Słońca i skończył z ponad dwukrotnie większą masą niż inne planety. W rzeczywistości przypuszczano, że gdyby Jowisz zgromadził więcej masy, stałby się drugą gwiazdą. Opiera się to na fakcie, że jego skład jest podobny do składu Słońca – składa się głównie z wodoru.

W dodatku, obecne modele formowania się Układu Słonecznego również wskazują, że Jowisz uformował się dalej od swojej obecnej pozycji. W tym, co jest znane jako Hipoteza Wielkiego Tacka, Jowisz migrował w kierunku Słońca i osiadł na swojej obecnej pozycji około 4 miliardy lat temu. Ta migracja, jak twierdzono, mogła spowodować zniszczenie wcześniejszych planet w naszym Układzie Słonecznym – co może obejmować Super-Ziemię bliżej Słońca.

Eksploracja:

Choć nie był to pierwszy zrobotyzowany statek kosmiczny, który odwiedził Jowisza, lub pierwszy, który badał go z orbity (zostało to zrobione przez sondę Galileo w latach 1995-2003), misja Juno została zaprojektowana w celu zbadania głębszych tajemnic jowiszowego olbrzyma. Obejmują one wnętrze Jowisza, atmosferę, magnetosferę, pole grawitacyjne oraz określenie historii powstawania planety.

Misja wystartowała w sierpniu 2011 roku i osiągnęła orbitę wokół Jowisza 4 lipca 2016 roku. Gdy sonda weszła na swoją polarną eliptyczną orbitę, po zakończeniu 35-minutowego odpalania głównego silnika, znanego jako Jupiter Orbital Insertion (lub JOI). Gdy sonda zbliżyła się do Jowisza znad jego północnego bieguna, uzyskała widok na układ Jowisza, któremu zrobiła ostatnie zdjęcie przed rozpoczęciem JOI.

Od tego czasu sonda kosmiczna Juno przeprowadza manewry perijove – podczas których przechodzi między północnym obszarem polarnym a południowym obszarem polarnym – z okresem około 53 dni. Od czasu przybycia na orbitę w czerwcu 2016 r. wykonała 5 takich manewrów, a do lutego 2018 r. ma ich wykonać łącznie 12. W tym momencie, nie licząc żadnych przedłużeń misji, sonda zostanie de-orbitowana i spłonie w zewnętrznej atmosferze Jowisza.

Jako że wykonuje swoje pozostałe przejścia, Juno zbierze więcej informacji na temat grawitacji Jowisza, pól magnetycznych, atmosfery i składu. Jest nadzieja, że te informacje nauczą nas wiele o tym, jak interakcja pomiędzy wnętrzem Jowisza, jego atmosferą i magnetosferą napędza ewolucję planety. I oczywiście, jest nadzieja na dostarczenie rozstrzygających danych na temat struktury wnętrza planety.

Czy Jowisz ma stałe jądro? Krótka odpowiedź brzmi: nie wiemy… jeszcze. Prawdę mówiąc, bardzo dobrze może mieć stałe jądro składające się z żelaza i kwarcu, które jest otoczone grubą warstwą metalicznego wodoru. Jest również możliwe, że interakcja pomiędzy tym metalicznym wodorem a stałym jądrem spowodowała, że planeta straciła je jakiś czas temu.

W tym momencie, wszystko co możemy zrobić, to mieć nadzieję, że trwające badania i misje przyniosą więcej dowodów. Są one nie tylko prawdopodobne, aby pomóc nam udoskonalić nasze zrozumienie wewnętrznej struktury Jowisza i jego formacji, ale także udoskonalić nasze zrozumienie historii Układu Słonecznego i tego, jak powstał.