Óriásbolygók
Molnár László MTA CSFK CSI
CSILLAGÁSZATI ALAPTANFOLYAM 2013
• légkör összetétele ~ Napé, nincs éles felszínük • hidrosztatikai egyensúly (nyomási erő = gravitáció) → adott anyagból álló gömbök szerkezete számítható: Jupiter/Szaturnusz szinte teljesen H és He (gázóriások) Uránusz Neptunusz főleg vízből van (vízóriások)
Szerkezeti különbségek • Összetétel, tömeg • Méretet a hőmérséklet is befolyásolja • Szaggatott: forró, folytonos: hideg gázgömbök • Sok megoldás (pl. forró gázbolygók) csak más csillagok körül ismert • Felszín: 1 bar
Jupiter
• P = 11,86 év
a = 5,2 AU e = 0,05 i = 1,3° R ≈ 10-11 RFöld M ≈ 350 MFöld ≈ 10-3 MNap ≈2,5 Mbolygók ρátlag = 1,3 g/cm3
→ évente látszólag egy állatövi csillagképpel hátrál
• tengelyforgás ~ 10 óra → erős lapultság • tengelyferdeség 3° → nincsenek évszakok • T=-145-137 °C, hőtöbblet, képződéshő még nem sugározódott el • folyékony fémes H rétegben áramlások → dinamó → mágneses tér (10 x földi) → kiterjedt magnetoszféra
Jupiter légköre
egyenlítővel párhuzamos sávos szerkezet: • világos zónák: • sötét övek: – konvektív feláramlások – konvektív leáramlások – NH3 kristályfelhők, – NH4SH kristályfelhők – nagy magasságú
– mélyebben még lejjebb valószínűleg H2O kristályfelhők
• differenciális rotáció • zonális áramlások (max 540 km/h): határfelületeken a legnagyobb a relatív sebességkülönbség → örvények → kaotikus régiók: hosszú életű ciklonok forró foltok, mélyebbre belátunk → foltok: hosszú életű anticiklonok: felszálló áramlás, felhőtető fölött vannak • Sávok néha időszakosan eltűnnek
• differenciális rotáció • zonális áramlások (max 540 km/h): határfelületeken a legnagyobb a relatív sebességkülönbség → örvények → kaotikus régiók: hosszú életű ciklonok forró foltok, mélyebbre belátunk → foltok: hosszú életű anticiklonok: felszálló áramlás, felhőtető fölött vannak • Sávok néha időszakosan eltűnnek
Nagy Vörös Folt • 1664 óta ismert, nagyon stabil anticiklon a déli féltekén • szerkezete, színe változik; színek eredete ismeretlen • Hidegebb, teteje ~8 km-el a környezete felett
Galileo
Voyager-2
Credit: NASA / JPL / color mosaic by Bjorn Jonsson
•Közeli infravörös felvétel •Csak a magasszintű pára látszik •Gyenge keveredés, sokáig fennmaradnak •Pólusokon a magnetoszféra által befogott részecskékkel való kölcsönhatás
Röntgen: sarki fény zóna, légkörbe csapódó részecskék
Belső szerkezet • H eltérő fázisállapotai – Folyékony H2 – túl van a kritikus ponton, folyamatos átmenet a gázból – Fémes H2 – magnetoszféra, feloldhatta a kőzetmagot
Szaturnusz
a = 9,5 AU e = 0,05 i = 2,5° R = 8-9 RFöld M = 1/3 MJup ρátlag = 0,7 g/cm3
leglapultabb, legritkább bolygó tengelyforgás ~11 óra tengelyferdeség 27° T =-185 °C, hőtöbblet (Uránusznál és Neptunusznál is) mágneses tér ~ földi, kiterjedt magnetoszféra felhők hasonló a Jupiteréhez, de hidegebb → összefüggő NH3 fátyolfelhő → kisebb kontraszt • nagyobb szélsebességek (1800 km/h), max. seb. a sávok közepén → örvény kialakulásához kedvezőtlenebb (világos foltok) • • • • •
Légkörök összetétele
Cassini
villám
Hexagon • Hatszögletű felhőminta • Csak az É pólus körül • Szélnyírás alakítja ki – Belül gyorsabb – Minél nagyobb a különbség, annál kevesebb oldal • Laborban modellezhető, földi hurrikánokban rövid ideig megjelennek • Szaturnusz: min. 20 éve
Központi örvény
UV - Hubble
Látható
IR – forró folt a póluson - Keck
közeli IR (mélyebb felhőrétegek)
közép-IR (sztratoszféra) - VLT
Uránusz
• • • • • • • •
a = 19,2 AU e = 0,05 i = 2,5° R ≈ 4 RFöld M ≈ 1/22 MJup ≈ 16 MFöld ρátlag = 1,3 g/cm3
felfedezője W. Herschel, 1781, véletlen P = 84 év tengelyforgás ~17 óra Tengelyferdeség 98°: sarkkörök az Egyenlítő, térítők a pólus közelében mágneses tér (iondús vízköpeny áramlások → dinamó) erőssége ~ földi de erősen dőlt és excentrikus kiterjedt magnetoszféra struktúrálatlan felhőtakaró (metán köd) infravörösben felhősávok
Sötét és világos foltok
HST NICMOS
• Sok mágiával (lucky imaging: sok rövid exp. felvétel átlagolása; korrekció a forgásra, szelekre; felüláteresztő szűrő a részletek kiemelésére) ennyi rélszlet - Keck:
Neptunusz • felfedező: Le Verrier számítása alapján Galle 1846 „Az égi mechanika diadala” • P = 165 év • tengelyforgás ~ 16 óra • tengelyferdeség 29 ° → évszakok vannak • mágneses tér ~ Uránusz kiterjedt magnetoszféra • felhősávok, foltok (Nagy Sötét Folt) • viharos (legnagyobb sebességű szelek)
a = 30 AU e = 0,05 i = 2,5° R = 8-9 RFöld M ≈ 1/18 MJup ≈ 19 MFöld ρátlag = 1,7 g/cm3
HST látható és NIR
Sötét foltok • Anticiklonok (mint a GRS) • Kevesebb felhő van bennük – Fehér: metán cirruszok • Változik az alakjuk • Sokkal rövidebb életűek – Néhány év • Neptunuszon gyakori (idő ~50%ban) • Uránuszon ritka – első 2006-ban – Napéjegyenlőség idején?
Magnetoszférák
Magnetoszférák - Uránusz
Sarki fény
Mind a négy bolygónál Jupiter, Szaturnusz – földihez hasonló, poláris gyűrűk
Sarki fény • Holdak lábnyomai: hold-bolygó fluxuscsövek • Áramok az égitestek között – hold-aktivitás, vulkanizmus erősíti
Sarki fény • Holdak lábnyomai: hold-bolygó fluxuscsövek
ionok
elektronok Tórusz, kénatomok
Sarki fény • Holdak lábnyomai: hold-bolygó fluxuscsövek
Szaturnusz-Enceladus között is
Sarki fény • Cassini – helyszíni detektálás (Szaturnusz)
Sarki fény • Uránusz – pár perces foltok a nappali oldalon • Forgás- és mágneses tengely geometriája miatt
Gyűrűk Szaturnusz
• • • • • •
cm-km jégdarabok vastagságuk pár száz m össztömeg < MHold széttört jéghold maradványa fiatal képződmény osztások eredete: rezonanciák a holdakkal pl. Cassini rés: Mimas 2:1 rezonancia
Pontos tömeg 2017-ben, mikor a Cassini berepül a bolygó és a gyűrűk közé
• Részecske-méretek, rádió-elnyelésből • Zöld: főleg 1-5 cm • Lila: főleg > 5 cm • Fehér: túl sűrű
● ●
• Méteres tartományig vannak részecskék ●
Küllők Elektrosztatikusan, a magnetoszféra által a gyűrűk felett lebegtetett porfelhők? Évszakos, tavasszal és ősszel
éles peremek és vékony gyűrűk magyarázata: pásztorholdak pl. A gyűrű külső széle Atlas F gyűrű Prometheus és Pandora E gyűrű Enceladus gejzíreiből kidobott apró jégkristályok
A Prometheus hullámokat kelt az F-gyűrűben, Szaturnusz-távolban Ismeretlen, apró holdacskák nyoma az F-gyűrűben
E gyűrű és az Enceladus
A Daphnis hold keltette hullámok a Keeler-rés mentén (1 km magasak)
Diffúz porgyűrű – Phoebe hold pályája mentén Csak infravörösben megfigyelhető
Jupiter
• híg diffúz porgyűrű, anyaga cserélődik, utánpótlás a belső holdakról
Uránusz • kb. egy tucat vékony gyűrű 10 m-es sötét darabokból, köztük finom por
Neptunusz
3 vékony és 2 széles, halvány gyűrű – mind nagyon sötét Adams fényesebb ívekből áll – eredet nemtisztázott
Külső bolygók kutatása bolygók, holdak, gyűrűk, mágneses tér, stb. vizsgálata
• Pioneer-10, (1973) • Ulysses (1992-2009) ekliptika síkjára merőlegesen, 6 éves periódussal keringett a Nap körül • Galileo (1995-2003) orbiter, légköri szonda • New Horizons (2007) Plútóhoz (J) ------------------------------------------------------------------------• Pioneer-11, Voyager-1 • Cassini (2000 J, 2004 S) Szaturnusz orbiter (J,S) ------------------------------------------------------------------------• Voyager-2 (J,S,U,N)
Jövő
• • • • •
Juno (NASA, 2011.) – poláris pályán a Jupiter körül Számos tanulmány fázisban, 2020 után Jupiter Europa Orbiter / Jupiter Ganymede Orbiter Titan Saturn System Mission, Titan lander, Uranus Orbiter...
Juno
• Érkezés: 2015 • Gravitácós tér, magnetoszféra, belső szerkezet • Fotók, holdak: nem prioritás
JUICE • Jupiter Icy Moons Explorer (ESA) • NASA-val közös EJSM/Laplace-ból • Ganymedes orbiter • 2 Europa-közelítés • Sok elrepülés a Callisto-nál • Start: 2022, érkezés: 2030, pályára állás: 2033
JUICE • Jupiter Icy Moons Explorer (ESA) • NASA-val közös EJSM/Laplace-ból • Ganymedes orbiter • 2 Europa-közelítés • Sok elrepülés a Callisto-nál • Start: 2022, érkezés: 2030, pályára állás: 2033 • Geológia, felszín alatti vízréteg, magnetoszféra, összetétel...
Holdrendszerek Jupiter ● Galilei holdak (Io, Europa, Ganymedes, Callisto) ● 67 ismert (Zeusz/Jupiter szeretői, hódításai, lányai) ● Szaturnusz ● Titán ● 62 ismert (titánok, óriások) + “moonlet-ek” le < 1 km-ig ● Uránusz ● 27 ismert (Shakespeare és Alexander Pope szereplők) ● Neptunusz ● Triton ● többi nagyon apró ● 13 ismert (tengeri, vízi istenségek) ●
●
minden nagyobb hold a bolygó egyenlítői síkjában kering, kis excentricitású pályán, kötött tengelyforgással, 0 tengelyferdeséggel, kivéve a Triton
Galilei holdak • kőzetholdak – – – –
ρátlag ≥ 3 g/cm3 Io, Europa méret ~ Hold bolygóközelség → árapályfűtés → erős aktivitás
• jégholdak – – – – –
ρátlag ≤ 2 g/cm3) Ganymedes, Callisto méret ~ Merkúr kőmag bolygótól távol vannak → enyhébb aktivitás
Io • Legaktívabb égitest a Naprendszerben • Kőzethold, erős vulkanizmussal • Árapály-fűtés • Kénben gazdag szilikátok • Kis g, kis viszkozitás, exoszféra: 120 km-re feltörő láva • Folyékony lávaóceán a kéreg alatt
Europa • Globális jégpáncél, rianások • Kráterek alig • Folyékony vízóceán ~100 km mélyen • Oxigén exoszféra • Egyik legjobb hely földönkívüli életre
Europa káosz régiók - olvadt zsebek?
Ganymedes • Legnagyobb Hold • Ősi geológiai aktivitás – Ősi, sötét területek – Szintén régi, de világosabb, barázdált sávok és foltok – Kora nem ismert pontosan • Saját mágneses tér – színbeli különbségek, poláris sapkák • Folyékony vízréteg a kéreg alatt?
Callisto • Ősi felszín, nincs nyoma aktivitásnak • Belseje is differenciálatlan • Teljesen kráterezett • Palimpszesztek: ősi kráterek, melyeknél nincs domborzati eltérés – kiegyenlítődött • Ilyen a Valhalla medence is – legnagyobb alakzat • Becsapódás áttörte a merev kérget, köpeny kitöltötte
Valhalla központi régió
Kis holdak • Belső holdak • Legnagyobb: Amalthea
• Külső holdak: irreguláris rendszer • Befogott kisbolygók lehetnek • Több alcsalád – széttöredezett nagyobb (de így is kicsi) égitestek
Szaturnusz holdjai Mimas
●
●
Herschel kráter
Iapetus
●
● ● ●
●
hegylánc nagyon eltérő albedójú területek Egyenlítőn erősebb szublimáló, póluson kicsapódás -> sötétebb anyag a felszínen Pozitív visszacsatolás
Hyperion
●
●
40% üreges – –
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/Moons_of_Saturn_2007.jpg
Szaturnusz holdjai Két hasonló jéghold ● Nincs aktivitás ● Dione ●
●
Repedések
Rhea
●
● ●
Vékonyka gyűrű? - nem Vékonyka légkör! –
Pan
Szaturnusz holdjai ●
Kis holdak ●
●
Atlas
por lerakódás a gyűrűkből
Égi mechanika ●
trójai holdak: Dione és Tethys körül
Polydeuces
•
Helene
Calypso
Telesto
Szaturnusz holdjai ●
Égi mechanika ●
●
•
Koorbitálisok: közel azonos pályán, helyet cserélnek Janus és Epimetheus
Enceladus ●
Legkisebb aktív égitest ●
●
D = 500 km
“tigriskarmolások”: vízgejzírek ●
Melegebbek ~ 40 fokkal
Enceladus ●
Mi hajtja?
●
Túl gyors, időszakosnak kell lennie
●
Karmolások felszíne néhány millió éves lehet
Titán • • • • •
felfedező: Huygens 1655 méret ~ Merkúr, Ganymedes vastag légkör: 98,4% N2 sűrű, ködszerű felhőréteg P = 1, 5 bar, T = 92 K ~metán hármaspontja Kék pára: tholinok, stb
Titán • • • • •
Cassini – IR és radar, hogy átlásson a felhőkön Dűnemezők – alacsony szélességek Tavak/tómedrek – pólusok körül Kevés kráter, feltöltődés jelei Csapadék: metán, etán, stb
Tavak, folyók
Huygens – 2005
Folyómeder! (Kiszáradt) tómeder-szerű alakzat!!!
110 km
90 km
70 km
25 km
Huygens – 2005 • Első landolás a külső Naprendszerben • Vízjég kavicsok sötétebb talajon • Időszakosan folyadékkal borított partszakasz lehet
Uránusz holdak
• • • • • •
Puck Miranda Ariel Umbriel Titania Oberon
Miranda • Verona-hasadék 5 km mély • keletkezési elméletek
– széttört és újra összeállt? Nem. – árapályfűtés, kriovulkanizmus
Umbriel
Titania
Oberon
Ariel
Triton
• átmérő : 2700 km (Hold és Eris között ) • ρátlag = 2, 05 g/cm3 ) jégbolygó, jelentős kőzetmaggal. • retrográd, inklinált pálya → befogott Kuiper-objektum • ritka légkör, P = 1, 5 μbar, T ≈ 40K 99,9% N2 • felszín: csak a déli félteke ismert • óriási sarki sapka, N2 és CH4 jég. • albedó: 0,7 egyik legnagyobb a Naprendszerben. • kriovulkanikus aktivitás: gejzírek • 12 további kis hold
“sárgadinnye” felszín legősibb
Sarki jégsapka
Jeges “lávával” kitöltött, sima területek
kráterek
Kriovulkánok/ gejzírek nyomai
