«Наука и жизнь» 1975 г. №4, с.93-96
Ф. ЗИГЕЛЬ, доцент Московского авиационного института имени С. Орджоникидзе.
Древние наблюдатели неба не знали истинных размеров планет. Тем удивительнее, что по какой-то непонятной интуиции они присвоили именно крупнейшей из планет имя Юпитера - верховного божества древних римлян.
Юпитер огромен. По массе он в 318 раз превосходит земной шар, а по диаметру - в 11,2 раза. Юпитер лишь немногим «не дотянул» до звезды. Будь его масса в 10 раз больше, в недрах Юпитера возникли бы ядерные реакции и он, подобно обычным звездам, превратился бы в самосветящееся тело. У нашей соседки, летящей звезды Барнарда, расстояние до которой 17 световых лет, недавно обнаружены три невидимых спутника, массы которых (в долях массы Юпитера) равны 1,26, 0,84 и 0,63. Значит, в других планетных системах есть планеты, сравнимые по размерам с Юпитером и даже немного превосходящие его. Однако такие тела по физической природе напоминают больше звезды, чем планеты земного типа.
Юпитер и его спутник Ганимед. Снимок сделан с расстояния 745 тысяч километров от планеты с «Пионера-11».
Красное Пятно. Снимок сделан с расстояния 383 тысяч километров, за 4 часа 15 минут до момента наибольшого сближения «Пионера-11» с Юпитером. (Обе фотографии из американского журнала «Aviation week and space technology».)
 Схема внутреннего строения Юпитера (по В. Г. Фесенкову и А. Г. Масевич). |
Когда наблюдаешь Юпитер даже в небольшой телескоп, первое, что бросается в глаза, его заметная сплющенность. Она вызвана быстрым вращением Юпитера вокруг оси - сутки там длятся всего 10 часов. Последняя величина несколько округлена. Наблюдения показывают, что вращение Юпитера (во всяком случае во внешних его слоях) совершается иначе, чем у Земли. Это вращение не «твердотельное», а зональное: экваториальные зоны вращаются немного быстрее полярных, разница составляет несколько минут.
Поделив массу Юпитера на его объем, легко найти, что средняя плотность величайшей из планет равна 1,3 г/см3, что лишь немногим превосходит плотность воды. Уже одно это обстоятельство заставляет думать, что Юпитер состоит в основном из легких элементов - водорода и гелия. В противном случае средняя плотность была бы выше (см. рисунок вверху). Водород был обнаружен в спектре Юпитера при наблюдениях с земных обсерваторий. Количество гелия оценивалось чисто теоретически и требовало экспериментальной проверки. Вот почему астрономы с нетерпением ждали новой информации, которая недавно поступила на Землю с двух американских автоматических станций «Пионер-10» и «Пионер-11». Первая из них пролетела вблизи Юпитера 3 декабря 1973 года. В момент наибольшего сближения планету и станцию разделяли 130 тысяч километров. Спустя год вторая станция, «Пионер-11», подошла к Юпитеру гораздо ближе - на расстояние в 43 тысячи километров. Эти станции были первыми космическими зондами, обследовавшими Юпитер с близкого расстояния. Сведения, полученные с их помощью, представляют для науки огромный интерес.
На «Пионере-10» работал ультрафиолетовый спектрометр. Он зафиксировал свечение гелия, примерно в 100 раз более слабое, чем свечение водорода. Это, конечно, не означает, что водорода на Юпитере в сто раз больше, чем гелия, - интенсивность излучения какого-нибудь элемента зависит от многих причин, а не только от его количественного содержания в данном теле. После обработки информации, переданной с «Пионера-10», определили, что в атмосфере Юпитера содержится 27 процентов гелия. Остальное приходится на долю молекулярного водорода и его соединений.
По наблюдениям с земных обсерваторий уже давно обнаружено, что в спектре Юпитера полосы поглощения метана и аммиака очень интенсивны. Однако относительное содержание этих газов в атмосфере Юпитера ничтожно и не превышает доли процента. В основном же Юпитер, как и звезды, состоит из водорода и гелия.
Предпринимались неоднократные попытки построить теоретическую модель Юпитера, то есть представить себе его внутреннее строение. Самой правдоподобной из всех этих гипотетических моделей считается та, которая была разработана академиком В. Г. Фесенковым и доктором физико-математических наук А. Г. Масевич. Анализируя различные варианты химического состава Юпитера, они пришли к выводу, что существующие сжатие и средняя плотность величайшей из планет могли получиться в том случае, если Юпитер примерно на 80 процентов состоит из водорода и лишь на 20 процентов из других более тяжелых элементов (в основном гелия). На рисунке изображена гипотетическая модель Юпитера по расчетам В. Г. Фесенкова и А. Г. Масевич. Если действительность соответствует этой модели, то внешний слой Юпитера состоит в основном из молекулярного водорода, плотность которого увеличивается с глубиной почти от нуля до 0,4 г/см3. На глубине 0,15 радиуса Юпитера давление достигает 700 тысяч атмосфер. При таком давлении водород скачкообразно переходит в так называемую «металлическую» фазу. А она характеризуется тем, что водород теряет свою молекулярную структуру и превращается в совокупность отдельных атомов и свободных электронов - при давлении в 700 тысяч атмосфер электронные оболочки атомов полностью разрушаются.
Слой этого атомарного «металлического» водорода, по положению своему напоминающий мантию Земли, имеет толщину около 0,55 радиуса Юпитера. Естественно, что с приближением к центру планеты его плотность возрастает (на границе с ядром до 2,8 г/см3). Здесь же, на этой границе, давление достигает 20 миллионов атмосфер.
 На фотографиях, сделанных с Земли, хорошо видны облачные пояса Юпитера. |
Центральное ядро Юпитера состоит из водорода и тяжелых элементов. В самом центре Юпитера плотность 11 г/см3, а давление до 85 миллионов атмосфер. В этих условиях, как показали расчеты Н. А. Козырева, температура может достигать 200 тысяч градусов.
Все эти выводы (снова подчеркнем) весьма гипотетичны, хотя в целом и главном они скорее всего правильны. Но детали картины могут быть и другими. Так, например, В. И. Мороз, который тоже признает водородно-гелиевую модель Юпитера наиболее правдоподобной, считает, что глубина его газовой атмосферы не 15 сотых радиуса планеты, а от 1 до 20 сотых. По его мнению, твердое тело планеты состоит из твердого водорода и гелия, а температура в ядре Юпитера вряд ли превышает несколько тысяч градусов. Некоторые ученые считают, что нижняя часть атмосферы Юпитера из-за относительно высокой плотности (около 0,2 г/см3) по своим механическим свойствам скорее напоминает океан, чем газовую оболочку.
Пока неясны причины, порождающие магнитные поля планет. Одна из наиболее популярных гипотез («динамогинотеза») объясняет возникновение геомагнитного поля теми электрическими токами, которые существуют в жидком или полужидком железо-никелевом ядре нашей планеты. Такие ядра могут быть только у крупных планет. Вот почему спутники планет, астероиды и другие малые тела Солнечной системы не имеют заметного общего магнитного поля. Между прочим, обратите внимание, что с точки зрения этой гипотезы непонятно, почему нет магнитного поля у Венеры - планеты, по размерам близкой к Земле, и почему оно есть у Марса, значительно уступающего нашей планете по массе. Но, как бы там ни было, опыт подсказывает, что у Юпитера должно быть мощное магнитное поле. Аппаратам «Пионер» предстояло изучить его особенности.
Еще далеко «на подлете», на расстоянии в 8 миллионов километров, магнитометры «Пионера-10» зафиксировали внешнюю границу магнитного поля Юпитера, так называемую магнитную ударную волну, отделяющую магнитосферу планеты от межпланетного магнитного поля. Здесь, на этом невидимом рубеже, скорости солнечных корпускул («солнечного ветра») снижались с 450 до 200 километров в секунду, часть этих корпускул (в основном протоны и электроны) захватывались магнитным полем Юпитера. Само это поле оказалось очень сложным, непохожим на магнитное поле Земли. По мере приближения «Пионера-10» к Юпитеру его магнитное поле четырежды исчезало и появлялось вновь. В геомагнитном поле такой «слоистости» нет.
Данные, полученные от «Пионера-10» (кстати сказать, радиосигналы от него достигали Земли лишь через 46 минут), показывают, что магнитное поле Юпитера состоит из двух «сосуществующих» полей. Одно из них дипольное, напоминающее поле плоского школьного магнита. Оно имеет напряженность 4 эрстеда и простирается на 1,4 миллиона километров от Юпитера. Ось этого дипольного поля наклонена (как и у Земли) под углом около 11 градусов к оси вращения планеты и несколько смещена относительно ее центра. Любопытно, что полярность этого поля противоположна полярности магнитного поля Земли. На расстояниях от 1,4 до 8 миллионов километров зафиксировано второе, более слабое недипольное поле. Удаляясь от Юпитера, оно постепенно сходит «на нет», однако магнитная ударная волна четко фиксирует внешнюю границу этого поля.
 Облачные пояса Юпитера имеют различную температуру. Темные полосы - это более теплые пояса. На схеме: 1 - северный полюс, 2 - поднимающиеся потоки атмосферных газов, 3 - экватор, 4 - южный полюс, 5 - направление вращения планеты, б - светлая зона, 7 - темный пояс, 8 - стрелками показаны направления движения атмосферных газов. |
Магнитное поле - ловушка для солнечных корпускул. Так как у Юпитера это поле и по протяженности и по напряженности гораздо мощнее земного магнитного поля, то и радиационные пояса Юпитера несравненно больше. Они более сплющены к экватору, чем у Земли, а по обилию захваченных частиц в 10 тысяч раз превосходят радиационный пояс нашей планеты. Наиболее интенсивная зона радиации простирается до одного миллиона километров от Юпитера, а внешняя граница его поясов отстоит от гигантской планеты на 2,5 миллиона километров.
С помощью фотополяриметра были впервые получены фотографии поверхности Юпитера с близкого расстояния. С Земли даже в небольшие телескопы Юпитер выглядит полосатым. Это полосы облаков. Сохраняя в целом постоянство расположения, они весьма изменчивы в деталях (очертаниях, интенсивности, толщине, цвете). Состав их достоверно неизвестен. Возможно, что они образованы из сконденсированных паров воды с примесью аммиака. С «Пионера-10» окраска облачных полос зафиксирована гораздо более отчетливо, чем с Земли. Среди облаков Юпитера были обнаружены серые и синие, красно-коричневые, оранжевые и желтые. На некоторых темных облаках виднелись вытянутые белые полосы длиной в десятки тысяч километров.
Особенно интересны фотографии знаменитого Красного Пятна, впервые замеченного еще в XVII веке. На фоне изменчивого облачного покрова Юпитера Красное Пятно, имеющее форму эллипса с наибольшим диаметром 40 тысяч километров, выглядит удивительно стабильным. Форма и размеры его меняются мало, а вот интенсивность окраски очень изменчива. Временами Красное Пятно как бы «разгорается» и становится ярко-красным, а в иные годы оно блекнет и еле заметно.
На фотоснимках, сделанных с «Пионера-10», видно, что у Красного Пятна есть «хвост» (удлиненный выступ с одной его стороны). Природа Красного Пятна пока остается загадочной. Трудно объяснить и его стабильность. По каким-то причинам облака всегда обтекают его и никогда не проходят над ним. Возможно, что Красное Пятно как-то связано с твердым ядром Юпитера. Не исключено, что в этом месте из ядра Юпитера постоянно извергаются газы, а Красное Пятно - это верхушка газового столба, извергаемого гигантским «вулканом».
Юпитер обращается вокруг Солнца на расстоянии, впятеро большем, чем Земля. Следовательно, он обогревается Солнцем гораздо хуже, чем наша планета. Поэтому те бурные процессы, которые наблюдаются в атмосфере Юпитера, весьма удивительны. У астрономов давно уже родилось подозрение, что источником этих процессов служит внутреннее тепло Юпитера - поступающей солнечной энергии для них недостаточно.
Инфракрасный спектрометр «Пионера-10» уверенно зафиксировал, что Юпитер излучает тепла вдвое больше, чем получает от Солнца. Трудно сказать, каковы источники этого внутреннего тепла Юпитера. Если предположить, что величайшая из планет сжимается всего на один миллиметр в год, то энергии от этого гравитационного сжатия с лихвой хватило бы для объяснения всех наблюдаемых явлений. Происхождение тепла, выделяемого из недр Юпитера, отчасти можно объяснить радиоактивным распадом тяжелых элементов, содержащихся в его ядре. Однако удовлетвориться только таким объяснением нельзя, так как содержание радиоактивных элементов в ядре Юпитера невелико. Некоторые из астрономов полагают, что внутри Юпитера сохранилось некоторое количество «дозвездного вещества», распад которого и разогревает планету. Но и эта экзотическая точка зрения нуждается в серьезном обосновании.
Короче говоря, Юпитер до сих пор остается одной из самых загадочных планет. Можно надеяться, что после детальной обработки информации, полученной с «Пионера-10» и «Пионера-11», удастся раскрыть хотя бы некоторые из его тайн.
Межпланетные станции сообщили некоторые новости и о крупнейших «галилеевских» спутниках Юпитера: Ио, Европе, Каллисто и Ганимеде. Ио и Европа по размерам близки к Луне, Каллисто чуть меньше Меркурия, а Ганимед даже превосходит эту «полноправную» планету. По ряду фактов ученые давно уже думали, что все «галилеевские» спутники Юпитера окружены атмосферами. «Пионер-10» подтвердил, что Ио и Ганимед имеют атмосферы, в тысячу раз менее плотные, чем земная. У Ио обнаружена еще и протяженная ионосфера. Уточнена масса этого спутника Юпитера. Оказалось, что она на 20 процентов больше, чем считали до сих пор. Таковы предварительные результаты непосредственного изучения Юпитера и его окрестностей. Работа американских межпланетных автоматических станций на этом не закончилась. «Пионер-10» должен еще пролететь вблизи Сатурна, потом, в 1979 году, пересечь орбиту Урана. Через 15 лет после запуска, то есть в 1988 году, «Пионер-10» минует орбиту Плутона и направится со скоростью 40 тысяч километров час к созвездию Тельца.
Полет до ближайшей из звезд этого созвездия будет продолжаться 11 миллионов лет. Внутрь «Пионера-10» на всякий случай помещено «письмо» к инопланетянам, в котором в лаконичной и образной форме рассказано о землянах и их планете. (См. «Наука и жизнь», № 8, 1972) Найдет ли это самое странное из писем какого-нибудь адресата?
«Пионер-11» в сентябре 1979 должен пролететь в 10 тысячах километров от поверхности Сатурна и войти внутрь его знаменитых колец. Пожелаем обоими «Пионерам» счастливого пути и будем ждать от них новых сообщений о далеких окраинах Солнечной системы.
Юпитер, вид с расстояния 2 965 тысяч километров. Снимок сделан со станции «Пионер-10». (Фото из журнала «Сьянс э авенир».) ▼  |