av Matt Williams , Universe Today
Gasjättarna har alltid varit ett mysterium för oss. På grund av deras täta och virvlande moln är det omöjligt att få en bra titt inuti dem och fastställa deras verkliga struktur. Med tanke på deras avstånd från jorden är det tidskrävande och dyrt att skicka rymdfarkoster till dem, vilket gör att undersökningsuppdrag är få och sällsynta. Och på grund av deras intensiva strålning och starka gravitation måste alla uppdrag som försöker studera dem göras med försiktighet.
Och ändå har forskarna i årtionden varit övertygade om att denna massiva gasjätte har en fast kärna. Detta stämmer överens med våra nuvarande teorier om hur solsystemet och dess planeter bildades och vandrade till sina nuvarande positioner. Medan Jupiters yttre skikt huvudsakligen består av väte och helium, tyder ökningar i tryck och densitet på att närmare kärnan blir saker och ting fasta.
Struktur och sammansättning:
Jupiter består huvudsakligen av gasformig och flytande materia, med tätare materia därunder. Dess övre atmosfär består av ca 88-92 % väte och 8-12 % helium i volymprocent av gasmolekyler, och ca 75 % väte och 24 % helium i massa, medan den resterande procenten består av andra grundämnen.
Atmosfären innehåller spår av metan, vattenånga, ammoniak och kiselbaserade föreningar samt spår av bensen och andra kolväten. Det finns också spår av kol, etan, vätesulfid, neon, syre, fosfin och svavel. Kristaller av frusen ammoniak har också observerats i atmosfärens yttersta lager.
Det inre innehåller tätare material, så att fördelningen är ungefär 71 % väte, 24 % helium och 5 % andra grundämnen i massa. Man tror att Jupiters kärna är en tät blandning av grundämnen – ett omgivande lager av flytande metalliskt väte med en del helium, och ett yttre lager som huvudsakligen består av molekylärt väte. Kärnan har också beskrivits som stenig, men även detta förblir okänt.
Under 1997 föreslogs kärnans existens genom gravitationsmätningar, som visade på en massa på mellan 12 och 45 gånger jordens massa, eller ungefär 4-14 % av Jupiters totala massa. Förekomsten av en kärna stöds också av modeller för planetbildning som visar hur en stenig eller isig kärna skulle ha varit nödvändig någon gång under planetens historia för att samla in allt väte och helium från den protosolära nebulosan.
Det är dock möjligt att denna kärna sedan dess har krympt på grund av konvektionsströmmar av hett, flytande, metalliskt väte som blandas med den smälta kärnan. Denna kärna kan till och med saknas nu, men det krävs en detaljerad analys innan detta kan bekräftas. Juno-uppdraget, som sköts upp i augusti 2011 (se nedan), förväntas ge en viss insikt i dessa frågor och därmed göra framsteg när det gäller problemet med kärnan.
Formation och migration:
Våra nuvarande teorier om solsystemets bildning hävdar att planeterna bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan från en solnebulos (dvs. nebulushypotesen). I enlighet med denna teori tros Jupiter ha bildats som ett resultat av att gravitationen drog ihop virvlande moln av gas och stoft.
Jupiter fick det mesta av sin massa från material som blev över från solens bildning, och slutade med mer än dubbelt så stor sammanlagd massa som de andra planeterna. Faktum är att man har antagit att om Jupiter hade samlat mer massa skulle den ha blivit en andra stjärna. Detta baseras på det faktum att dess sammansättning liknar solens – den består huvudsakligen av väte.
Den nuvarande modellen för solsystemets bildning tyder dessutom på att Jupiter bildades längre ut från sin nuvarande position. Enligt den så kallade Grand Tack-hypotesen vandrade Jupiter mot solen och slog sig ner i sin nuvarande position för ungefär 4 miljarder år sedan. Det har hävdats att denna migration kan ha resulterat i att de tidigare planeterna i vårt solsystem förstördes – vilket kan ha inkluderat superjordar närmare solen.
Utforskning:
Men även om Juno-uppdraget inte var den första rymdfarkosten som besökte Jupiter, eller den första som studerade den från en omloppsbana (detta gjordes av Galileo-sonden mellan 1995 och 2003), så var Juno-uppdraget utformat för att utreda de djupare mysterierna kring den jovianska jätten. Dessa inkluderar Jupiters inre, atmosfär, magnetosfär, gravitationsfält och att bestämma planetens bildningshistoria.
Uppdraget sköts upp i augusti 2011 och nådde omloppsbana runt Jupiter den 4 juli 2016. När sonden gick in i sin polära elliptiska bana, efter att ha slutfört en 35 minuter lång avfyrning av huvudmotorn, känd som Jupiter Orbital Insertion (eller JOI). När sonden närmade sig Jupiter från ovanför dess nordpol fick den en bild av det jovianska systemet, som den tog en sista bild av innan den påbörjade JOI.
Sedan dess har Junos rymdsond utfört perijove-manövrer – där den passerar mellan den norra polarregionen och den södra polarregionen – med en period på cirka 53 dagar. Den har genomfört 5 perijoves sedan den anlände i juni 2016, och den ska enligt planerna genomföra totalt 12 perijoves före februari 2018. Vid denna tidpunkt kommer sonden, om inte uppdraget förlängs, att avorbiteras och brinna upp i Jupiters yttre atmosfär.
När den gör sina återstående passeringar kommer Juno att samla in mer information om Jupiters gravitation, magnetfält, atmosfär och sammansättning. Förhoppningen är att denna information ska lära oss mycket om hur samspelet mellan Jupiters inre, dess atmosfär och magnetosfär styr planetens utveckling. Och naturligtvis hoppas man kunna ge slutgiltiga uppgifter om planetens inre struktur.
Har Jupiter en fast kärna? Det korta svaret är att vi inte vet… ännu. I själva verket kan den mycket väl ha en fast kärna bestående av järn och kvarts, som är omgiven av ett tjockt lager metalliskt väte. Det är också möjligt att växelverkan mellan detta metalliska väte och den fasta kärnan gjorde att planeten förlorade den för en tid sedan.
I nuläget kan vi bara hoppas att pågående undersökningar och uppdrag kommer att ge fler bevis. Dessa kommer sannolikt inte bara att hjälpa oss att förfina vår förståelse av Jupiters inre struktur och dess bildning, utan också att förfina vår förståelse av solsystemets historia och hur det uppstod.