Коллектив авторов - Космос. От Солнца до границ неизвестного

У «Юноны» была необычная траектория. Путь космической станции пролегал не вдоль экватора газового гиганта, а над его полюсами. Это удерживало станцию на безопасном расстоянии от радиационных поясов Юпитера, которые представляют несомненную опасность для электроники и электрических систем космических аппаратов.

Космический аппарат облетел вокруг Юпитера 37 раз. В начале 2018 года отдали команду жесткой посадки на планету, и «Юнона» перестала существовать.

Первые данные, полученные в апреле 2017 года, бросили вызов всем нашим представлениям о планете, от ее атмосферы и до внутреннего строения. В атмосфере Юпитера, вдоль его экватора, нашли плотную зону аммиачного газа; в других областях аммиак был более разрежен. Несомненно, формирование погоды Юпитера сильно зависит от присутствия аммиака. Мы и раньше знали, что Юпитер окутан аммиачными облаками, но существование проникающего на такую глубину пояса аммиачного газа – а он тянется вглубь под облака на 300 км – оказалось сюрпризом. Погода на Юпитере затрагивает обширный диапазон высот – это также стало для ученых новостью.

Еще одна неожиданность: магнитное поле Юпитера оказалось очень мощным, а у магнитосферы неправильная форма. Искривление поля может быть вызвано необычным динамо-эффектом: он формируется в нескольких внутренних слоях Юпитера, которые расположены далеко от ядра – возможно, в слое металлического водорода.

Уже на первых этапах исследования планеты зонд получил важные сведения о ее атмосфере. Камера зафиксировала и отослала на Землю снимки десятков гигантских, шириной в сотни километров циклонов, бушующих над полюсами. Ранее об их существовании даже не подозревали. В поясах к югу от юпитерианского экватора замечены странные белые овалы. Возможно, это облака, состоящие из аммиака и гидразина. Последнее вещество используют на Земле в качестве ракетного топлива.

Зонд бросил вызов и моделям внутренней структуры Юпитера. Раньше считалось, что внутри он довольно однороден: атмосфера, состоящая из молекулярного водорода, простирается вглубь примерно на 1000 метров. Предполагалось, что в более низких слоях из-за огромного давления водород превращается в металл: протоны блуждают в море электронов; капли гелия и других элементов могут в виде дождя падать из атмосферы. А еще ниже, на глубине 70 000 км, должно было находится небольшое твердое ядро. Такая картина строения Юпитера основывалась на данных о гравитационном поле планеты.

Но самые первые измерения гравитационного поля, выполненные «Юноной», внесли коррективы в эту модель. Оказалось, что внутренние слои планеты не столь однородны по своему составу. Ядро Юпитера не твердое, как у Земли, а скорее «размытое» – в него проникают вышележащие слои металлического водорода. Такая картина соответствует более ранним расчетам (2011) внутреннего строения Юпитера, согласно которым твердое ядро планеты может постепенно растворяться, подобно таблетке, брошенной в воду.

В настоящее время считается, что планеты-гиганты – такие как Юпитер и Сатурн – на начальных этапах своего развития являются твердыми телами, состоящими из камня и льда. Затем, когда они достигают десятикратной массы Земли, их поле тяготение начинает всасывать газ из родительской туманности. Вокруг них образуется плотная атмосфера, состоящая в основном из водорода. Забавно, но, согласно некоторым исследованиям, масса юпитерианского ядра меньше десяти масс Земли, в то время как в ядре меньшего собрата Юпитера, Сатурна, «упаковано» от 15 до 30 Земель.

Некоторые исследователи предположили, что большое давление и температура в сердцевине Юпитера могут привести к тому, что его ядро растворится в окружающей атмосфере, которая при таком высоком давлении ведет себя как жидкость. Хью Уилсон, ныне работающий в Государственном объединении научных и прикладных исследований ( CSIRO ) в Мельбурне (Австралия), и Беркхард Милитцер из Калифорнийского университета в Беркли (США) использовали уравнения квантовой механики, чтобы понять, как ведет себя минеральный оксид магния – считающийся составной частью ядра Юпитера – при давлении, подобном давлению Юпитера (примерно в 40 миллионов раз больше нормального атмосферного давления на Земле), и температуре 20 000 °C. Они обнаружили, что в этих условиях оксид магния действительно растворяется в жидкой среде. Растворенные камни могут со временем смешаться с остальной атмосферой.

На Сатурне, масса которого составляет около трети массы Юпитера, условия не столь экстремальны. Если ядро Сатурна и растворяется, то, согласно проведенным расчетам, растворение будет медленным. В то же время на планетах массивнее Юпитера этот процесс протекает значительно быстрее. Из-за этого многие крупные экзопланеты могут вообще не иметь ядер (см. главу 7).

Спутник Юпитера Ио, испещренный сернистыми ямами, омытый интенсивной радиацией и сотрясаемый постоянными извержениями вулканов, – это огненный ад в Солнечной системе. На Ио очень холодно, и значительная его часть покрыта инеем из сернистого ангидрида. Вместе с тем на этом спутнике, самом близком к Юпитеру, отмечается наиболее активная вулканическая деятельность в Солнечной системе. Вулканы Ио выплевывают в 100 раз больше лавы, чем все вулканы Земли, хотя поверхность Ио в 12 раз меньше земной.

Поверхность Ио усеяна пузырящимися озерами расплавленной породы, у самого большого из них – Патера Локи – диаметр более 200 км. В других местах магма внезапно пробивает себе путь из трещин в скальной коре, создавая вереницу лавовых фонтанов, которые могут растягиваться на 50 км и более. В 2007 году космический аппарат НАСА «Новые горизонты» зарегистрировал тепловое излучение от одной из этих огромных огненных завес, когда зонд пролетал мимо Юпитера по пути к Плутону.

Некоторые извержения Ио достаточно сильны и выбрасывают в пространство гигантские шлейфы газа и пыли на расстояние до 500 км. Это происходит, когда в лавовом потоке испаряется поверхностный слой замерзшего сернистого ангидрида или когда внутри поднимающейся магмы формируются пузыри газа, которые с большой скоростью выбрасывают наружу обломки пород.

Все это вулканическое неистовство – результат «любовного» притяжения и гравитационной борьбы между Юпитером и двумя сородичами Ио – Европой и Ганимедом. Орбитальные периоды этих спутников ровно в два и в четыре раза соответственно превосходят орбитальный период Ио. Это приводит к тому, что все эти три спутника довольно часто выстраиваются в одну линию. В результате гравитационного влияния от этих периодических противостояний орбита Ио постепенно приобретала все более и более вытянутую форму. По мере движения Ио по этой орбите притяжение Юпитера то нарастает, то ослабевает, деформируя поверхность спутника. Перегрузки и напряжения нагревают спутник изнутри – этот процесс называется приливным нагреванием. Эффект нагревания на Ио настолько силен, что плавятся камни и образуются вулканы.