§ 15. Планети-гіганти і їхні супутники

Основна відмінність планет гігантів від планет земної групи - їх значно більші маси й розміри. У той же час їхня щільність значно менше, ніж у планет земної групи, що свідчить про розходження хімічного складу. Всі планети-гіганти мають потужні воднево-гелієві атмосфери з домішками аміаку й метану (до 0,1%), а також більші системи супутників і кілець. Планети цієї групи обертаються навколо осі набагато швидше, ніж планети земної групи. При цьому кожна з них має помітно менший період обертання екваторіальних областей у порівнянні з біляполярними.

Такий закон обертання, характерний для всіх газоподібних тіл, спостерігається й у Сонця. Разом з тим Юпітер і Сатурн, а також Уран і Нептун досить чітко розділяються між собою на дві пари. Юпітер і Сатурн мають більші розміри, менші щільності й менші періоди обертання, чим Уран і Нептун.

Чіткий розділ планет-гігантів на дві групи - дуже важливий експериментальний факт, що вимагає обов'язкового пояснення сучасною теорією походження й еволюції Сонячної системи.

1. Юпітер. Юпітер — найбільша планета Сонячної системи (мал. 15.1). Він обертається навколо Сонця на відстані близько 5,2 а. е., з періодом 11,86 земних років. Юпітер швидше всіх інших планет обертається навколо своєї осі — зоряна доба тривають 9 ч 50 хв. Через швидке обертання його екваторіальний радіус (71 400 км) значно перевищує полярний (66 900 км) — планета помітно сплюснена біля полюсів. Маса Юпітера й сила тяжіння на його поверхні відповідно в 318 й 2,5 рази більше земної. Середня щільність становить 1,3 г/см³.

Навіть у невеликий телескоп на Юпітері добре помітні світлі й темні смуги, які йдуть паралельно екватору. Вони мають

Різноманітне забарвлення, відносно стійке протягом днів і тижнів, але поступово змінюються згодом. Це вказує на їхню хмарну природу й відносно стійкий тип атмосферної циркуляції. Період обертання Юпітера, певний по русі деталей, розташованих на різних широтах, різний: він збільшується зі зростанням широти. Отже, смуги в середніх широтах рухаються повільніше, ніж на екваторі.

В 1831 р. у південній півкулі Юпітера була виявлена Велика Червона Пляма (ВЧП). Про неї було відомо й раніше, тому що

існують свідчення спостережень Гука, на малюнках якого, виконаних ще в 1664 - 1672 р., теж є пляма. ВЧП має розміри 15 000x30 000 км (мал. 15.2) і розташована уздовж паралелі. Цікаво, що іі розміри сто років тому були у два рази більше. Пляма являє собою потужний антициклон, що обертається проти годинникової стрілки. Обертання усередині плями відбувається за 6 земних діб. Виникнення й існування ВЧП пов'язане з різною швидкістю руху атмосферних мас, між якими вона перебуває: маси, розташовані вище, рухаються проти годинникової стрілки повільніше, ніж розташовані нижче, що рухаються в тім же напрямку. Через тертя верхня частина ВЧП трохи гальмує, а нижня — прискорюється, що й приводить до утворення стійкого вихру.

В атмосфері Юпітера утримується близько 86% водню, 14% гелію, 0,07% метану, 0,06% аміаку, а також ацетилен, фосфін, вода. Хмари складаються в основному з аміаку.

Розраховуючи на одиницю площі Юпітер отримує в 27 разів менше тепла від Сонця, ніж Земля. Його верхні шари, відбиваючи 50% сонячної енергії, повинні були б мати температуру близько 113 К, проте прямі виміри як наземними способами, так і за допомогою космічних апаратів вказують на більшу температуру: вона на 17 К вище. Тобто надра планети створюють свій власний потік енергії, у середньому вдвічі більший, ніж вона отримує від Сонця. Цей додатковий потік тепла приводить до появи в атмосфері Юпітера бурхливих вертикальних потоків з виносом нагору гарячих мас газу, які після охолодження поринають назад у надра планети.

Причиною переваги випромінюваної енергії над отриманою від Сонця можуть бути процеси гравітаційного стиску первинної речовини, з якого сформувалася планета. По своїх характеристиках Юпітер займає проміжне положення між планетними й зоряними утвореннями, і його остаточне формування ще дотепер не завершилося.

Юпітер не має твердої поверхні. За підрахунками, уже на глибині декількох тисяч кілометрів речовина атмосфери плавно переходить у газо-рідинний стан, глибше під ним залягає зона рідкого водню з гелієм, а ще глибше - рідкий водень переходить у металеву фазу, перетворюючись у метал, у якому протони й електрони існують окремо. Останній перехід відбувається стрибком: речовина, змінюючи свою фазу, стискується, при цьому й виділяється додаткова енергія.

В 1955 р. виявлено, що Юпітер є потужним джерелом радіовипромінювання. Планета має магнітне поле, напруженість якого в 50 разів більше земного і яке формує навколо планети протяжну магнітосферу з декількома радіаційними поясами. Електрони, прискорені в магнітосфері планети, гальмуються її магнітним полем, випромінюючи головним чином у радіодіапазоні.

Чотири з 50 супутників Юпітера — Іо, Європа, Ганімед і Калісто — ще в 1610 р. були відкриті Галілеєм, він же дав їм назви, а тому їх часто називають галілеєвыми. В 1979 р. поблизу планети пройшли АМС «Вояджер-1» та «Вояджер-2» (США). Вони передали на Землю зображення Юпітера і його супутників, зроблені із близьких відстаней. Особливо вражають поверхні галілеєвых супутників.

Поверхня Іо (мал. 15.4) має жовтувато-червоні кольори. На супутнику зареєстровано сім діючих вулканів. Вулканічні процеси на Іо проходять досить бурхливо: продукти викиду (в основному це сполуки сірки) піднімаються на висоту до 300 км.

Практично вся поверхня Європи покрита мережею тріщин, довжина яких в окремих випадках досягає 1 500 км (мал. 15.5).

Імовірно, зовнішня оболонка супутника товщи­ною від 10 до 100 км складається з водяного льоду. Вона відбиває до 70% сонячного світла. Середня температура поверхні Європи становить 120 К. Це нижче ніж в Іо.

Ганімед — найбільший супутник Юпітера. Він також найбільший супутник з відомих у Сонячній системі. Існує припущення, що він в основному складається з води або льоду. Його поверхня відбиває до 40% сонячного світла й має температуру 140 К.

Калісто - четвертий галілеєвий супутник, цікавий тим, що його зворотна від Юпітера сторона вкрита кратерами. На думку вчених, їхній вік становить 4 млрд років. Вони виникли в результаті потужного метеоритного бомбардування, що відбувалася на ранній стадії існування Сонячної системи. Калісто - темний супутник, тому що його поверхня - лід, забруднений пилом, - відбиває всього лише 20% сонячного світла. Через це й температура на його поверхні найвища серед галілеєвих супутників – 150 К.

Всі галілеєві супутники за розмірами порівнянні з розмірами планет земної групи, їхні середні щільності більше, ніж у Юпітера, а періоди їхнього осьового обертання й обігу навколо Юпітера майже збігаються.

У березні 1979 р. «Вояджер-2» відкрив навколо Юпітера кільце. Воно подібне до кілець Сатурна, але значно менше за розмірами і дуже тонке. До речі, припущення про існування в Юпітера кільця й наявності інтенсивних вулканічних процесів на супутниках великих планет ще в 1955 р. висловив київський астроном Сергій Костянтинович Всехсвятський (1905 - 1984).

2. Сатурн. Сатурн — друга планета-гігант. Відносно Сонця перебуває на шостому місці (мал. 15.7).

Багато в чому вона подібна до Юпітера. Сатурн обертається навколо Сонця з періодом 29,5 земних років на відстані близько 9,5 а. е. Зоряна доба на Сатурні триває 10 год. 14 хв. Через швидке обертання він також сплюснений у полюсів: полярний радіус планети менше екваторіального. Як й у Юпітера, періоди обертання в різних широтах не однакові, від екватора до приполярних ділянок досягає 46 хв. Маса Сатурна в 95 разів більше маси Землі, а сила тяжіння у 1.12 р. більше земної.

Сатурн має напрочуд низьку щільність, менше щільності води — усього лише 0,7 г/см³. І якби знайшовся такий велетенський океан з водою, куди можна було б занурити Сатурн, він би не потонув. Така щільність свідчить про те, що Сатурн, як й інших планети-гігантів, переважно складається з водню й гелію.

Оскільки Сатурн перебуває в 9,5 рази далі від Сонця, ніж Земля, то на одиницю площі він одержує в 90 разів менше тепла. За підрахунками, температура зовнішнього шару хмарного покриву повинна становити 80 К, насправді ж температура атмосфери планети дорівнює 90 К. Отже, Сатурн, як і Юпітер, перебуває в стані повільного стиску.

На диску жовтуватих кольорів окремі деталі верхніх шарів атмосфери Сатурна проявляються значно слабкіше, ніж на Юпітері.

І все-таки темні смуги в екваторіальних областях видні досить добре. Помітно також, що біляполярні області здаються злегка зеленуватими, Крім того, час від часу з'являються світлі й темні плями, завдяки яким і був визначений період обертання Сатурна. У верхніх шарах хмарного покриву спостерігаються сильні вітри, швидкість яких в екваторіальній зоні досягає 110 м/с.

Як і Юпітер, Сатурн має магнітне поле, радіаційні пояси і є джерелом радіовипромінювання.

Серед всіх планет-гігантів Сатурн вражає уяву величною системою кілець, які добре видно в найпростіший телескоп. Вони були відкриті X. Гюйгенсом ще в XVII в. Їхня площина лежить точно в площині екватора планети, нахиленої до площини екліптики під кутом 28,5^о Тому кожні 29,5 років, залежно від

т ого, як зорієнтований Сатурн стосовно Землі, кільця або можна бачити максимально розкритими під тим же кутом, або, коли Земля перебуває в площині кілець, їх взагалі не видно (мал. 15.8).

Кільця Сатурна мають складну структуру. «Вояджер-1» і «Вояджер-2», що пролітали мимо Сатурна в 1980 - 1981 р., передали на Землю зображення кілець, зроблені із близької відстані (мал. 15.9). На фотографіях видно, що кільця складаються із сотень окремих вузьких кілець, розділених такими ж вузькими проміжками. Самі кільця складаються із часток водяного пухкого снігу. Розміри часток коливаються від дрібних порошин до брил завбільшки 10-15 м, що добре відбивають сонячне світло. Ширина кілець разом із найдальшим кільцем, відкритим «Вояджером», становить 65 000 км, а товщина не перевищує 1 км.

О крім кілець, Сатурн має 30 відомих у цей час супутників. «Вояджери» передали на Землю зображення деяких з них. Як і всі інші тіла в Сонячній системі, що не мають атмосфери, вони засіяні безліччю кратерів. Найбільший супутник Сатурна — Титан, Він має потужну непрозору атмосферу товщиною до 200 км, що складається з азоту з домішками метану й водню. Температура поверхні Титана - 90 К. За таких умов метан існує в газоподібному, рідкому й твердому станах. Тому, залежно від метеорологічних умов на Титані може йти метановий «дощ» або випадати метановий «сніг», можуть текти метанові «ріки» і плескатися метанові «озера» й «моря».

3. Уран і Нептун. Уран (мал. 15.10) був відкритий англійським астрономом У. Гершелем в 1781 р., а Нептун (мал. 15.11) - німецьким астрономом Галлі в 1846 р. після теоретичних розрахунків француза Леверье й англійця Адамса.

До початку космічної ери відомостей про ці планети було мало. Відомо було, що Уран - це планета, майже в чотири рази більше Землі. Вона рухається навколо Сонця з періодом 84 земні роки на відстані 19,2 а. е. і має екваторіальний період обертання навколо своєї осі 17 ч 14 хв. Нахил осі обертання до площини орбіти складає 98^о, тобто планета рухається навколо Сонця, «лежачи на боці», і

обертається, подібно Венері, у зворотному напрямку. Маса Урана в 14,6 рази більше земної, екваторіальний радіус становить 25 600 км, середня щільність Урана - 1,19 г/см³.

Нептун також майже в чотири рази більше Землі. Він рухається навколо Сонця з періодом 164,8 земних років на відстані 30 а. е. і має екваторіальний період обертання 17 год. 42 хв. Нахил його осі обертання до площини орбіти становить 29^о, маса в 17 разів більше земної, а екваторіальний радіус становить 24 800 км. Середня щільність Нептуна найбільша серед всіх планет-гігантів - 1,66 г/см³.

Фактичні температури зовнішнього хмарного покриву для обох планет перевищують розрахункові на 10-20 ДО. Отже, у надрах цих планет існують додаткові джерела тепла. Можливо, тепло має таку ж природу, як у Юпітера й Сатурна. Атмосфери цих планет складаються з водню, метану, ацетилену. Метан добре поглинає сонячне випромінювання в червоній частині спектра. І до спостерігача найбільше надходить неуважного сонячного випромінювання в жовто-зеленій частині спектра. Цим і порозумівається зеленувате фарбування Урана й Нептуна.

Детальну інформацію про ці вилучені планети вдалося одержати тільки після проходження АМС «Вояджер-2» поблизу Уран у січні 1986 р. і Нептуна в серпні 1989 р.

Останні дані дозволяють припустити, що Уран на 50% складається з водяного льоду, на 40% - з різних кам'янистих порід і на 10% - з водню й інших газів.

В 1977 р. при перекритті Ураном однієї із зірок у нього було виявлено п'ять кілець. Згодом з'ясувалося, що їх дев'ять. АМС «Вояджер-2» виявив десяте слабке кільце. Кільця Урана дуже вузькі, їхня ширина - 1-10 км, крім зовнішнього. Це кільце в самій широкій частині досягає 96 км. Тому що кільця погано відбивають сонячне світло, можна припустити, що вони складаються із дрібної темної пилової речовини. Товщина кілець - кілька десятків метрів.

Після прольоту АМС стала відомо геологічна будова п'яти більших супутників Урана: Ариеля, Умбріеля, Титаніі, Оберона й Міранди (мал. 15.12). Були відкриті ще 12 супутників. Це безформені не більше брили з розмірами від 10 до 100 км.

Що стосується планети Нептун, то в неї була виявлена атмосфера. Вона блакитних кольорів і досить динамічна. На її тлі видні білі метанові хмари й дві темних плями - велика й мала. Їхня природа, швидше за все, така ж, як і Великої Червоної Плями на Юпітері.

У Нептуна, крім двох, відомих раніше, відкрито ще шість супутників. Найбільший з них — Тритон, має дуже розріджену азотну атмосферу й поверхню, що нагадує місячну. Рухається Тритон навколо Нептуна у зворотному напрямку.

АМС «Вояджер-2» виявила навколо Нептуна кільця, що складаються із дрібних часточок пилу.

4. Система Плутон —Харон. Плутон — найвіддаленіша, дев'ята за рахунку планета Сонячної системи — була відкрита в 1930 р. Плутон рухається навколо Сонця з періодом 248,4 земних років по еліптичній орбіті з великою піввіссю 39,4 а. е., витягнутої настільки, що він іноді виявляється ближче до Сонця, чим Нептун. До того ж площина його орбіти нахилена до площини екліптики під значним кутом в 17^о, тому, рухаючись по небесній сфері, Плутон виходить за межі зодіакальних сузір'їв. Установлено, що Плутон обертається навколо осі у зворотному напрямку (подібно Урану або Венері), кут нахилу осі обертання до площини орбіти становить 32°.

В 1978 р. під час фотографічного спостереження Плутона була виявлена асиметрія його зображення. Це дало підставу затверджувати,

що в планети є супутник, що робить оборот навколо неї за 6,4 діб. Радіус орбіти Харона (таку назву одержав супутник) дорівнює 19 640 км.

Як слабкий об'єкт 14^m, Плутон був погано вивчений (мал. 15.13). Але в результаті успішних спостережень Плутона за допомогою Космічного телескопа, Хаббла (1991 р.) були отримані дані про його радіус і масу, які відповідно рівні 1 162 км й 0,0022 m_Θ. Радіус і маса Харона — 606 км й 0,0003 m_Θ . Таким чином, Плутон

виявився вдвічі менше Меркурія й найменшою планетою Сонячної системи. Оскільки співвідношення мас Плутон - Харон дорівнює 7:1, то цю систему (аналогічно системі Земля - Місяць, де воно становить 81:1) теж можна називати подвійною планетою. Існує припущення, що Плутон — усього лише один з найближчих представників групи астероїдів з пояса Койпера (§16), серед яких багато претендентів називатися «десятою планетою. Спостереження показали, що Харон значно темніше, ніж Плутон, мабуть тому, що Плутон, завдяки своїй великій масі, зберіг метан, тоді як з поверхні супутника він розсіявся в космічний простір. Плутон-Харон одержує мізерну кількість сонячної енергії. Планета скоріш за все покрита льодом з метану й має червонуватий відтінок, тоді як супутник покритий водяним льодом і має сіруваті кольори.

1. За якими характерними ознаками планети-гіганти виділені в окрему групу?

2. Що собою представляє Велика Червона Пляма на Юпітері?

3. Чим пояснюється виділення додаткової енергії з надр планет-

гігантів?

4. Який український астроном і коли висловив думку про те, що на супутниках більших планет можуть відбуватися інтенсивні вулканічні процеси?

5. Чому систему Плутон-Харон можна назвати подвійною планетою?

15.1. З'ясуєте, скільки всього супутників налічується в Сонячній системі. Які з них мають розміри, порівнянні з розмірами Місяця?

2. У серпні 1995 р. астрономи Землі спостерігали кільця Сатурну «з ребра», тобто вони були невидимі на диску планети. За допомогою мал. 15.8, знаючи, що сидеричний період обігу Сатурна навколо Сонця дорівнює 29,46 року, спробуйте оцінити, якими були умови видимості кілець Сатурна в липні 1610 р., коли Галілей зафіксував їхнє відкриття словами «найвищу планету спостерігав потрійний».

3. Знаючи, що прискорення вільного падіння на Урані становить 9,50 м/с

і використовуючи_другий закон Ньютона, підрахуйте, яким буде Ваша вага на цій планеті. Спробуйте пояснити результат.