Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Увеличение давления выше некоторого предельного приводит к разрушению электронных оболочек атомов. Вещество резко изменяет свои свойства. Так, при давлении около 1 млн. бар. (для Юпитера это глубина, по разным оценкам, от 12 до 20 тыс. км.) возникает жидкий молекулярный водород. Его слой, вероятно, с примесью гелия, образует внешнее ядро планеты. Далее водород переходит в металлическое состояние с выделением теплоты фазового перехода. Это один из источников энергии в недрах планеты. При металлизации водорода могут возникнуть своеобразные растворы, например раствор гелия в металлическом водороде. Наконец, сам металлический водород тоже может быть твердым или жидким. Учет всех этих подробностей делает расчеты внутреннего строения планет-гигантов крайне сложными.

Схемы внутреннего строения планет-гигантов представлены на рис. в виде объемных секторов. Там же для сравнения показано строение Земли.

Плотность оболочек возрастает по направлению к центру планеты. Атмосфера Юпитера, толщина которой принята 1500 км., уплотняется в глубину. На дне атмосферы находится слой газо-жидкого водорода толщиной около 7000 км. На уровне 0,88 радиуса водород переходит в жидкомолекулярное состояние с резким увеличением плотности от 0,56 до 0,66 г/см³. Здесь давление и температура составляют 0,69 Мбар и 6500 К. Ниже, на уровне 0,77 радиуса (3 Мбар, 10000 К) водород переходит в жидкое металлическое состояние. Наряду с водородом и гелием в состав слоев входит небольшое количество тяжелых элементов. Общее количество водорода и гелия у Юпитера соответствует 225 и 70 массам Земли. Еще 20 масс Земли приходится на тяжелые элементы в центре планеты и отчасти в оболочках.

На внутреннее ядро Юпитера приходится не менее 5 масс Земли, а по диаметру оно примерно вдвое больше Земли. По составу ядро металло-силикатное и, возможно, включает воду, аммиак и метан. Предполагают, что внутреннее ядро окружено слоем гелия или растворов гелия. Температура в центре планеты близка к 20000 К, а давление около 50 Мбар. Похожее строение имеет и Сатурн, однако уровень внешней границы металлического водорода у него находится у 0,49 радиуса, а граница внутреннего ядра — у 0,15 радиуса. Температура и давление в центре Сатурна, согласно расчетам, 17000 К и 23 Мбар.

Значительно ниже температура и давление в центре Урана и Нептуна: около 7200 К и 8 Мбар. Водорода в их составе намного меньше. Над большим металло-силикатным ядром у них расположены мантии из смеси водяного и аммиачно-метанового льдов. Не следует понимать слово «льды» в привычном смысле: это вещества, образующие льды при физических условиях облачного покрова Юпитера.

На уровне 0,91 радиуса Юпитера, ниже его «океанической» поверхности, давление и температура достигают значений, достаточных для появления в веществе свободных электронов, обеспечивающих электрическую проводимость. По-видимому, начиная с этого уровня формируется сильное магнитное поле, обусловленное быстрым вращением Юпитера и движениями проводящей среды в его недрах. Поле несколько напоминает земное, но намного сильнее его. Дипольная составляющая создает на уровне облачного слоя напряженность 4—5 Гс (на Земле 0,35 Гс), а в районах магнитных полюсов Юпитера — 11 и 14 Гс. Ось диполя на 11° наклонена к оси вращения планеты (почти как у Земли!). Направление полюсов обратно земному. Значительную напряженность поля имеют компоненты более сложного характера с числом полюсов 4 и 8 — квадрупольная и октупольная, магнитные моменты которых составляет 22 и 18% от дипольного. Все это создает сложную картину магнитного поля планеты:

множество магнитных полюсов, из которых два (северный и южный) примерно в 5 раз сильнее остальных.

Радиационные пояса Юпитера превышают земные во много раз по напряженности поля и размерам, а с ночной стороны магнитный шлейф Юпитера тянется на многие сотни миллионов километров и достигает орбиты Сатурна.

Радиоизлучение Юпитера

В 1960-х гг. было обнаружено дециметровое радиоизлучение Юпитера. Оно имеет в значительной мере нетепловой характер (т.е. не связано с тепловым излучением планеты). Как известно, движение электронов в магнитных полях сопровождается электромагнитным излучением. Его называют циклотронным, если кинетическая энергия электронов меньше 0,5 МэВ, т.е. меньше энергии покоя электрона (m_eс²). В случае, если электроны релятивистские, т.е. их энергия намного больше 0,5 МэВ, излучение называют синхротронным. Долго оставалось неясным, к какому из этих типов относится дециметровое радиоизлучение Юпитера. В 1964 г. было показано, что оно исходит из пространства, намного превышающего диаметр Юпитера, причем наиболее интенсивно излучают две области: с востока и с запада от планеты.

С помощью космических аппаратов удалось установить, что магнитосфера и радиационные пояса Юпитера — это гигантский «природный ускоритель» заряженных частиц, в действии которого принимают участие природные спутники планеты. Этот ускоритель представляет собой тороидальный пояс, наклоненный, к экваториальной плоскости планеты в соответствии с наклоном оси магнитного диполя и вращающийся вместе с магнитосферой. Наиболее близкая к планете часть магнитосферы, в пределах 20 радиусов планеты, вращается вместе с дипольной составляющей магнитного поля (период 9ч. 55мин. 29,7с.). Радиационный пояс охватывает пространство от 1,5 до 6 радиусов планеты. Энергия электронов, захваченных в радиационных поясах и ускоренных в них, лежит в пределах от 3 до 30 МэВ. Дециметровое радиоизлучение, имеющее непрерывный, спокойный характер, генерируется именно в этих поясах электронами с энергией около 17 МэВ. Таким образом, дециметровое излучение Юпитера относится к синхротронному типу.

Вместе с тем, от планеты исходит и более длинноволновое излучение. В 1954 г., когда в США вводили в действие новый радиотелескоп, на выходе тщательно проверенной аппаратуры время от времени появлялись сильнейшие периодические помехи. Всплески повторялись с более или менее правильными интервалами на длине волны 13,5 м. Вскоре удалось установить, что искать этот источник на Земле бесполезно. Мощные помехи шли от Юпитера.

Экспериментаторы даже утверждали, что излучение Юпитера можно принимать на вполне определенных длинах волн: 29,7; 20; 18,2; 16,7; 15,5; 13,5 и 11,4 метров, и что даже через несколько месяцев таинственные радиосигналы появляются на тех же частотах. Подобно сигналам наших радиопередатчиков, «сигналы Юпитера» занимают узкую полосу частот: от 5 до 50 кГц.

Когда была применена радиоаппаратура с высоким временным разрешением, удалось установить, что в ряде случаев сигналы имеют сложную внутреннюю структуру: импульсы длительностью в тысячные доли секунды разделены паузами в сотые доли, причем амплитуда меняется от импульса к импульсу, но остается постоянной в пределах одного импульса. Очень похожую структуру имеют сигналы некоторых специальных радиостанций Земли, использующих особую кодово-импульсную модуляцию.

Встреча Юпитера с кометой

Долгое время кольцо считалось привилегией Сатурна. Когда у всех планет-гигантов открыли кольца разной степени сохранности, появилась новая гипотеза об относительной недолговечности планетных колец, которые рождаются в разрушительных столкновениях их спутников с кометами. Однако критики этой гипотезы неизменно приводили такое возражение: почему же мы не видим самих столкновений и прочих катастроф? В 1994 г. положение изменилось радикально.

В начале 1993 г. была открыта странная комета, названная по фамилиям первооткрывателей «кометой Шумейкеров-Леви-9». Она представляла собой около 20 отдельных кометных тел, вытянувшихся цепочкой.

Судьба кометы была предсказана незамедлительно: в 1994 г. произойдет небесная катастрофа примерно таких же масштабов, как та, что случилась 65 млн. лет назад на Земле, когда погибло около 80% всех видов животных. Раньше вероятность такого события представлялась ученым настолько малой, что его обычно воспринимали как исторический факт, не более. Но расчеты подтвердились. В июле 1994 г. обломки кометы, размерами, по разным оценкам, от 1 до 10 км., врезались в Юпитер со скоростью 60 км/с. Их огромная кинетическая энергия при внезапной остановке выделилась в виде теплового взрыва.

Для земных наблюдателей положение осложнялось тем, что столкновение произошло на не видимой с Земли стороне планеты. Но быстрое вращение Юпитера позволило увидеть свежие следы столкновения, которые сохранились в атмосфере планеты надолго. Обломки кометы врезались в нее с 16 по 22 июля 1994 г. Энергия взрыва фрагмента G была оценена как эквивалент 6 млн. водородных бомб по одной мегатонне каждая. На рис. можно видеть, как выглядел след этого взрыва через 45 мин. Следы взрыва более темные, чем окружающий фон облаков, но в полосе метана они светлее. Тонкое кольцо вокруг центра лишь на 1/5 меньше диаметра земного шара. Фрагмент G входил с юга, под углом 45°.