Seit der Erfindung des Teleskops vor vierhundert Jahren sind Astronomen vom Gasriesen Jupiter fasziniert. Zwischen seinen ständig wirbelnden Wolken, seinen vielen, vielen Monden und seinem riesigen roten Fleck gibt es viele Dinge an diesem Planeten, die sowohl entzückend als auch faszinierend sind.
Aber das vielleicht beeindruckendste Merkmal von Jupiter ist seine schiere Größe. In Bezug auf Masse, Volumen und Oberfläche ist Jupiter mit Abstand der größte Planet in unserem Sonnensystem. Und da sich die Menschen seit Jahrtausenden seiner Existenz bewusst sind, hat es in den kosmologischen Systemen vieler Kulturen eine aktive Rolle gespielt. Aber was macht Jupiter so massiv und was wissen wir sonst noch darüber?
Größe, Masse und Umlaufbahn:
Jupiters Masse, Volumen, Oberfläche und mittlerer Umfang betragen 1,8981 x 1027kg, 1.43128 x 10fünfzehnkm3, 6.1419 x 1010km2, und 4,39264 x 105km bzw. Um dies in die richtige Perspektive zu rücken, der Jupiterdurchmesser beträgt ungefähr das 11-fache des Erddurchmessers und die 2,5-fache Masse aller anderen Planeten im Sonnensystem zusammen.
Da es sich jedoch um einen Gasriesen handelt, hat es eine relativ geringe Dichte – 1.326 g/cm3– das ist weniger als ein Viertel der Erde. Das bedeutet, dass das Volumen des Jupiter zwar etwa 1.321 Erden entspricht, aber nur 318-mal so massiv ist. Die geringe Dichte ist eine Möglichkeit, mit der Wissenschaftler feststellen können, dass es hauptsächlich aus Gasen besteht, obwohl die Debatte darüber, was im Kern existiert, immer noch wütet (siehe unten).
Jupiter umkreist die Sonne in einer durchschnittlichen Entfernung (Haupthalbachse) von 778.299.000 km (5,2 AE), die von 740.550.000 km (4,95 AE) im Perihel und 816.040.000 km (5,455 AE) im Aphel reicht. In dieser Entfernung benötigt Jupiter 11,8618 Erdenjahre, um eine einzelne Umlaufbahn um die Sonne zu vollenden. Mit anderen Worten, ein einziges Jupiterjahr dauert 4.332,59 Erdtage.
Die Rotation des Jupiter ist jedoch die schnellste aller Planeten des Sonnensystems und vollendet eine Rotation um seine Achse in etwas weniger als zehn Stunden (9 Stunden, 55 Minuten und 30 Sekunden, um genau zu sein. Daher dauert ein einzelnes Jupiter-Jahr 10.475,8 Jupiter-Sonnentage Diese Umlaufzeit beträgt zwei Fünftel der des Saturn, was bedeutet, dass die beiden größten Planeten unseres Sonnensystems eine 5:2-Umlaufresonanz bilden.
Struktur und Zusammensetzung:
Jupiter besteht hauptsächlich aus gasförmiger und flüssiger Materie. Er ist der größte der Gasriesen und teilt sich wie diese in eine gasförmige äußere Atmosphäre und ein Inneres, das aus dichteren Materialien besteht. Seine obere Atmosphäre besteht aus etwa 88–92 % Wasserstoff und 8–12 % Helium, bezogen auf das Volumen der Gasmoleküle, und ca. 75 % Wasserstoff und 24 % Helium nach Masse, das verbleibende 1 % besteht aus anderen Elementen.
Dieser Ausschnitt zeigt ein Modell des Inneren des Jupiter mit einem felsigen Kern, der von einer tiefen Schicht flüssigen metallischen Wasserstoffs überlagert wird. Bildnachweis: Kelvinsong/Wikimedia Commons
Die Atmosphäre enthält Spuren von Methan, Wasserdampf, Ammoniak und Verbindungen auf Siliziumbasis sowie Spuren von Benzol und anderen Kohlenwasserstoffen. Es gibt auch Spuren von Kohlenstoff, Ethan, Schwefelwasserstoff, Neon, Sauerstoff, Phosphin und Schwefel. Kristalle von gefrorenem Ammoniak wurden auch in der äußersten Schicht der Atmosphäre beobachtet.
Das Innere enthält dichtere Materialien, so dass die Verteilung ungefähr 71 % Wasserstoff, 24 % Helium und 5 % andere Elemente nach Masse beträgt. Es wird angenommen, dass der Kern des Jupiter eine dichte Mischung von Elementen ist – eine umgebende Schicht aus flüssigem metallischem Wasserstoff mit etwas Helium und einer äußeren Schicht hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff. Der Kern wurde auch als felsig beschrieben, aber auch dies bleibt unbekannt.
1997 wurde die Existenz des Kerns wurde durch Gravitationsmessungen vorgeschlagen, die eine Masse vom 12- bis 45-fachen der Erdmasse oder etwa 4 bis 14 % der Gesamtmasse des Jupiter anzeigten. Das Vorhandensein eines Kerns wird auch durch Modelle der Planetenentstehung gestützt, die darauf hinweisen, dass irgendwann in der Geschichte des Planeten ein felsiger oder eisiger Kern notwendig gewesen wäre, um seinen gesamten Wasserstoff und Helium aus dem protosolaren Nebel zu sammeln.
Es ist jedoch möglich, dass dieser Kern seitdem aufgrund von Konvektionsströmen von heißem, flüssigem, metallischem Wasserstoff, der sich mit dem geschmolzenen Kern vermischt, geschrumpft ist. Dieser Kern mag jetzt sogar fehlen, aber es bedarf einer detaillierten Analyse, bevor dies bestätigt werden kann. Die Juno-Mission , das im August 2011 ins Leben gerufen wurde (siehe unten), soll einen Einblick in diese Fragen geben und damit Fortschritte bei der Kernproblematik erzielen.
Die Temperatur und der Druck im Inneren von Jupiter nehmen zum Kern hin stetig zu. An der „Oberfläche“ werden Druck und Temperatur auf 10 bar und 340 K (67 °C, 152 °F) geschätzt. In der 'Phasenübergangsregion', in der Wasserstoff metallisch wird, wird angenommen, dass die Temperatur 10.000 K (9.700 °C; 17.500 °F) beträgt und der Druck 200 GPa beträgt. Die Temperatur an der Kerngrenze wird auf 36.000 K (35.700 °C; 64.300 °F) und der Innendruck auf etwa 3.000–4.500 GPa geschätzt.
Jupitermonde:
Das Jupitersystem umfasst derzeit 67 bekannte Monde. Die vier größten sind als die bekannt Galileische Monde , die nach ihrem Entdecker benannt sind, Galileo Galilei . Sie beinhalten: das , der vulkanisch aktivste Körper in unserem Sonnensystem; Europa , das im Verdacht steht, einen massiven unterirdischen Ozean zu haben; Ganymed , der größte Mond in unserem Sonnensystem; und Kallisto , von dem auch angenommen wird, dass es einen unterirdischen Ozean hat und einige der ältesten Oberflächenmaterialien des Sonnensystems aufweist.
Dann gibt es die Innere Gruppe (oder Amalthea-Gruppe), die aus vier kleinen Monden besteht, die einen Durchmesser von weniger als 200 km haben, mit Radien von weniger als 200.000 km kreisen und Bahnneigungen von weniger als einem halben Grad haben. Diese Gruppe umfasst die Monde von Metis , Arastea , Amalthea , und Theben . Zusammen mit einer Reihe von noch ungesehenen inneren Mondchen füllen diese Monde das schwache Ringsystem des Jupiter auf und erhalten es aufrecht.
Jupiter hat auch eine Reihe von unregelmäßigen Satelliten, die wesentlich kleiner sind und weiter entfernte und exzentrische Umlaufbahnen haben als die anderen. Diese Monde sind in Familien unterteilt, die Ähnlichkeiten in Umlaufbahn und Zusammensetzung aufweisen, und es wird angenommen, dass sie größtenteils das Ergebnis von Kollisionen von großen Objekten sind, die von der Schwerkraft des Jupiter eingefangen wurden.
Illustration von Jupiter und den Galileischen Satelliten. Bildnachweis: NASA
Atmosphäre und Stürme:
Ähnlich wie die Erde erlebt Jupiter Polarlichter in der Nähe seines Nord- und Südpols. Aber auf Jupiter ist die Polarlichtaktivität viel intensiver und hört selten auf. Die intensive Strahlung, das Magnetfeld des Jupiter und die Fülle an Material von Ios Vulkanen, die mit der Ionosphäre des Jupiter reagieren, erzeugen eine wirklich spektakuläre Lichtshow.
Jupiter erlebt auch heftige Wettermuster . Windgeschwindigkeiten von 100 m/s (360 km/h) sind bei zonalen Jets üblich und können bis zu 620 km/h (385 mph) erreichen. Stürme bilden sich innerhalb von Stunden und können über Nacht einen Durchmesser von Tausenden von Kilometern erreichen. Ein Sturm, der Großer roter Fleck , wütet seit mindestens den späten 1600er Jahren. Der Sturm ist im Laufe seiner Geschichte immer kleiner geworden und hat sich ausgebreitet; aber im Jahr 2012 wurde vorgeschlagen, dass der Giant Red Spot könnte irgendwann verschwinden .
Jupiter ist ständig mit Wolken bedeckt, die aus Ammoniakkristallen und möglicherweise Ammoniumhydrogensulfid bestehen. Diese Wolken befinden sich in der Tropopause und sind in Bänder unterschiedlicher Breiten angeordnet, die als „Tropenregionen“ bezeichnet werden. Die Wolkenschicht ist nur etwa 50 km (31 mi) tief und besteht aus mindestens zwei Wolkendecks: einem dicken Unterdeck und einem dünneren, klareren Bereich.
Es kann auch eine dünne Schicht . sein Wasserwolken unter der Ammoniakschicht, wie durch Blitze von Blitze in der Atmosphäre entdeckt des Jupiter, was durch die Polarität des Wassers verursacht würde, die die für Blitze erforderliche Ladungstrennung erzeugt. Beobachtungen dieser elektrischen Entladungen zeigen, dass sie bis zu tausendmal so stark sein können wie die hier auf der Erde beobachteten.
Ein farbiges zusammengesetztes Bild des Jupiter-Einschlagsblitzes vom 3. Juni. Bildnachweis: Anthony Wesley
Historische Beobachtungen des Planeten:
Als Planet, der mit bloßem Auge beobachtet werden kann, wissen die Menschen seit Tausenden von Jahren um die Existenz des Jupiter. Es hat daher in den mythologischen und astrologischen Systemen vieler Kulturen eine wichtige Rolle gespielt. Die ersten urkundlichen Erwähnungen stammen aus dem Babylonischen Reich des 7. und 8. Jahrhunderts v.
Im 2. Jahrhundert konstruierte der griechisch-ägyptische Astronom Ptolemäus sein berühmtes geozentrisches Planetenmodell, das Deferenten und Epizykel enthielt, um die Umlaufbahn des Jupiter relativ zur Erde (d. h. rückläufige Bewegung) zu erklären. In seiner Arbeit ist der Almagest , schrieb er Jupiter (11,86 Jahre) eine Umlaufzeit von 4332,38 Tagen zu.
Im Jahr 499 verwendete Aryabhata – ein Mathematiker und Astronom aus dem klassischen Zeitalter Indiens – ebenfalls ein geozentrisches Modell, um die Periode des Jupiter auf 4332,2722 Tage oder 11,86 Jahre zu schätzen. Es wurde auch gewagt, dass der chinesische Astronom Gan De 362 v. Chr. Die Monde des Jupiter ohne den Einsatz von Instrumenten entdeckte. Wenn dies zutrifft, würde dies bedeuten, dass Galileo nicht der erste war, der zwei Jahrtausende später die Jupitermonde entdeckte.
Im Jahr 1610 nutzte Galileo Galilei als erster Astronom ein Teleskop zur Beobachtung der Planeten. Bei seinen Untersuchungen des äußeren Sonnensystems entdeckte er die vier größten Monde des Jupiter (heute Galileische Monde). Die Entdeckung anderer Monde als der der Erde war ein wichtiger Punkt für Kopernikus‘ heliozentrische Theorie der Bewegungen der Planeten.
Galileo zeigt den Himmel auf dem Markusplatz in Venedig. Beachten Sie das Fehlen einer adaptiven Optik. Kredit: Gemeinfrei
In den 1660er Jahren benutzte Cassini ein neues Teleskop, um die Flecken und bunten Bänder des Jupiter zu entdecken und beobachtete, dass der Planet ein abgeplattetes Sphäroid zu sein schien. Bis 1690 konnte er auch die Rotationsperiode des Planeten abschätzen und bemerkte, dass die Atmosphäre eine unterschiedliche Rotation erfährt. Im Jahr 1831 produzierte der deutsche Astronom Heinrich Schwabe die früheste bekannte Zeichnung um Details des Großen Roten Flecks anzuzeigen.
Im Jahr 1892 beobachtete E. E. Barnard einen fünften Jupiter-Satelliten mit dem Refraktorteleskop am Lick-Observatorium in Kalifornien. Dieses relativ kleine Objekt wurde später benannt Amalthea , und wäre der letzte planetarische Mond, der direkt durch visuelle Beobachtung entdeckt werden könnte.
1932 identifizierte Rupert Wildt Absorptionsbanden von Ammoniak und Methan in den Spektren des Jupiter; und 1938 wurden drei langlebige antizyklonische Merkmale, die als „weiße Ovale“ bezeichnet wurden, beobachtet. Mehrere Jahrzehnte lang blieben sie als separate Elemente in der Atmosphäre, die sich manchmal näherten, aber nie verschmolzen. Schließlich verschmolzen zwei der Ovale 1998, absorbierten dann das dritte im Jahr 2000 und wurden zu oval BA .
Ab den 1950er Jahren begann die radioteleskopische Erforschung des Jupiter. Dies war auf die Entdeckung von Radiosignalen von Jupiter durch die Astronomen Bernard Burke und Kenneth Franklin im Jahr 1955 zurückzuführen. Diese Ausbrüche von Radiowellen, die der Rotation des Planeten entsprachen, ermöglichten es Burke und Franklin, Schätzungen der Rotationsrate des Planeten zu verfeinern.
Infrarotbild des Jupiter von SOFIAs First Light-Flug, bestehend aus Einzelbildern bei Wellenlängen, aufgenommen von der FORCAST-Kamera der Cornell University. Bildnachweis: Anthony Wesley/Cornell University
Im Laufe der Zeit entdeckten Wissenschaftler, dass es drei Formen von Funksignalen gibt, die vom Jupiter gesendet werden – dekametrische Funkimpulse, dezimetrische Funkemissionen und Wärmestrahlung. Dekametrische Bursts variieren mit der Rotation des Jupiter und werden durch die Wechselwirkung von Io mit dem Magnetfeld des Jupiter beeinflusst.
Dezimetrische Radioemissionen – die von einem torusförmigen Gürtel um den Äquator des Jupiter stammen – werden durch zyklotronische Strahlung von Elektronen verursacht, die im Magnetfeld des Jupiter beschleunigt werden. Währenddessen wird in der Atmosphäre des Jupiter Wärmestrahlung durch Wärme erzeugt. Visualisierungen von Jupiter mit Hilfe von Radioteleskopen haben es Astronomen ermöglicht, viel über seine Atmosphäre, seine thermischen Eigenschaften und sein Verhalten zu erfahren.
Erkundung:
Seit 1973 wurden eine Reihe von automatisierten Raumfahrzeugen zum Jupitersystem geschickt und führten planetarische Vorbeiflüge durch, die sie in Reichweite des Planeten brachten. Das bemerkenswerteste davon war Pionier 10 ,die erste Raumsonde, die nahe genug herankommt, um Fotos von Jupiter und seinen Monden zu senden. Zwischen dieser Mission und Pionier 11, Astronomen erfuhren viel über die Eigenschaften und Phänomene dieses Gasriesen.
Künstlerische Darstellung von Pioneer 10 bei Jupiter. Bildnachweis: NASA/JPL
Sie entdeckten zum Beispiel, dass die Strahlungsfelder in der Nähe des Planeten viel stärker waren als erwartet. Die Flugbahnen dieser Raumsonden wurden auch verwendet, um die Massenschätzungen des Jupitersystems zu verfeinern, und Funkbedeckungen durch den Planeten führten zu besseren Messungen des Jupiterdurchmessers und des Ausmaßes der Polabflachung.
Sechs Jahre später, die Reisen Missionen begannen, die das Verständnis der Galileischen Monde erheblich verbesserten und die Ringe des Jupiter entdeckten. Sie bestätigten auch, dass der Große Rote Fleck antizyklonal war, dass sich sein Farbton seit den Pioneer-Missionen geändert hatte – von Orange zu Dunkelbraun – und Blitze auf seiner dunklen Seite blitzten. Es wurden auch Beobachtungen gemacht das , das einen Torus aus ionisierten Atomen entlang seiner Umlaufbahn und Vulkane auf seiner Oberfläche zeigte.
Am 7. Dezember 1995 wurde die Galilei orbiter war die erste Sonde, die eine Umlaufbahn um den Jupiter erreichte, wo sie sieben Jahre lang bleiben sollte. Während seiner Mission führte es mehrere Vorbeiflüge an allen Galileischen Monden und Amalthea durch und setzte eine Sonde in die Atmosphäre ein. Es war auch die perfekte Position, um die Auswirkungen von Kometenschuhmacher – Abgabe 9 als er sich 1994 dem Jupiter näherte.
Am 21. September 2003 wurde Galileo absichtlich auf den Planeten gelenkt und stürzte mit einer Geschwindigkeit von 50 km/s in seine Atmosphäre, hauptsächlich um einen Absturz zu vermeiden und eine mögliche Kontamination von Europa zu verursachen – einem Mond, von dem angenommen wird, dass er Hafenleben .
Künstlerische Darstellung von New Horizons mit Jupiter. Bildnachweis: NASA/JPL/JHUAPL
Sowohl von der Sonde als auch vom Orbiter gesammelte Daten zeigten, dass Wasserstoff bis zu 90 % der Jupiteratmosphäre ausmacht. Die aufgezeichneten Temperaturdaten betrugen mehr als 300 °C (570 °F) und die Windgeschwindigkeit betrug mehr als 644 km/h (400 mph), bevor die Sonde verdampfte.
Im Jahr 2000 wurde die Cassini Sonde (auf dem Weg zu Saturn ) flog am Jupiter vorbei und lieferte einige der höchstauflösenden Bilder, die jemals von dem Planeten aufgenommen wurden. Auf dem Weg nach Pluto , das Neue Horizonte Raumsonde flog am Jupiter vorbei und maß die Plasmaleistung von Ich bin Vulkane , alle vier Galileo-Monde im Detail untersucht und auch Fernbeobachtungen von Himalia und Elara .
NASAs JunoMission , das im August 2011 gestartet wurde, erreichte eine Umlaufbahn um den Planeten Jupiter am 4. Juli 2016 . Der Zweck dieser Mission besteht darin, das Innere des Jupiter, seine Atmosphäre, seine Magnetosphäre und sein Gravitationsfeld zu untersuchen, um letztendlich die Entstehungsgeschichte des Planeten zu bestimmen (die Aufschluss über die Entstehung des Sonnensystems geben wird).
Als die Sonde ihre polare elliptische Umlaufbahn erreichte am 4. Juli nach Abschluss einer 35-minütigen Zündung des Hauptmotors, bekannt als Jupiter Orbital Insertion (oder JOI). Als sich die Sonde dem Jupiter von oberhalb seines Nordpols näherte, bot sich ihr ein Blick auf das Jupitersystem, den sie letztes Bild von bevor Sie mit JOI beginnen.
Illustration der Juno-Raumsonde der NASA, die ihr Haupttriebwerk abfeuert, um zu verlangsamen und in eine Umlaufbahn um Jupiter zu gelangen. Bildnachweis: NASA/Lockheed Martin
Am 10. Juli übermittelte die Juno-Sonde ihre ersten Bilder aus dem Orbit, nachdem sie ihre wissenschaftlichen Instrumente wieder hochgefahren hatte. Die Bilder wurden aufgenommen, als die Raumsonde 4,3 Millionen km (2,7 Millionen Meilen) vom Jupiter entfernt war und sich auf dem ausgehenden Teil ihrer anfänglichen 53,5-tägigen Erfassungsbahn befand. Die Farbbild zeigt atmosphärische Merkmale auf Jupiter, darunter den berühmten Großen Roten Fleck, und drei der vier größten Monde des massiven Planeten – Io, Europa und Ganymed, von links nach rechts im Bild.
Die nächste geplante Mission zum Jovian-System wird von der Europäischen Weltraumorganisation Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE), der 2022 starten soll, gefolgt von NASAs Europa Clipper Mission im Jahr 2025.
Exoplaneten:
Die Entdeckung von Exoplaneten hat gezeigt, dass Planeten noch größer als Jupiter werden können. Tatsächlich ist die Zahl der „ Super Jupiter “, die in den letzten Jahren von der Raumsonde Kepler (sowie von bodengestützten Teleskopen) beobachtet wurden, war umwerfend. Tatsächlich wurden bis 2015 mehr als 300 solcher Planeten identifiziert.
Bemerkenswerte Beispiele sind PSR B1620-26 b (Methusalem), der der erste Super-Jupiter war, der 2003 beobachtet wurde. Mit einem Alter von 12,7 Milliarden Jahren ist er auch der drittälteste bekannte Planet im Universum. Es gibt auch HD 80606 b (Niobe), die die exzentrischste Umlaufbahn aller bekannten Planeten hat, und 2M1207b (Lerna), die den Braunen Zwerg umkreist Fomalhaut b (Illionen).
Hier ist eine interessante Tatsache. Wissenschaftler vermuten, dass ein Gasgewinn die 15-fache Größe von Jupiter erreichen könnte, bevor er mit der Deuteriumfusion beginnt, was ihn zu einem Braunen Zwergstern macht. Das ist auch gut so, denn das Letzte, was das Sonnensystem braucht, ist, dass Jupiter zur Nova wird!
Jupiter wurde von den alten Römern passend benannt, die sich entschieden, nach dem König der Götter (auch bekannt als Jove) zu benennen. Je mehr wir über diesen massivsten aller Sonnenplaneten wissen und verstehen, desto mehr verdient er diesen Namen.
Wir haben viele interessante Artikel über Jupiter hier bei Universe Today. Hier sind einige Artikel über die Farbe und Schwere von Jupiter, wie es hat seinen Namen , und wie es unser Sonnensystem geformt hat .
Haben Sie Fragen zu den größeren Geheimnissen des Jupiter? Dann ist hier Hat Jupiter einen festen Kern? , Könnte Jupiter ein Stern werden? , Könnten wir auf Jupiter leben? , und Könnten wir Jupiter terraformieren?
Wir haben eine ganze Reihe von Podcasts über die Sonnensystem bei Astronomy Cast .