«Глаз» Юпитера

Перед вами фото Юпитера, сделанное телескопом «Хаббл» 21 апреля 2014 года. Черный кружок — это тень Ганимеда, самого большого спутника планеты. Тень попала прямо на Большое красное пятно (БКП), имеющее форму глаза, и выглядит на нем как зрачок. БКП — огромный устойчивый вихрь в атмосфере Юпитера (см. картинку дня Большое красное пятно). Атмосферное давление внутри пятна выше, чем снаружи: по сути, БКП — это постоянно действующий антициклон, крупнейший в Солнечной системе.

БКП расположено в Южном полушарии Юпитера. Газ внутри пятна вращается против часовой стрелки с периодом около 4,5 земных суток. Его скорость порой превышает 600 км/ч. Направление вращения объясняется эффектом Кориолиса, который проявляется и на Земле: в Южном полушарии воздух в циклонах всегда закручивается по часовой стрелке, а в антициклонах — против (в Северном полушарии — наоборот).

Астрономы непрерывно наблюдают БКП уже почти 200 лет, с 1831 года. Более того, в 1665–1713 годах на Юпитере наблюдалось похожее пятно — первым его описал Джованни Кассини в 1665 году. Однако недавние исследования показывают, что, скорее всего, это был другой вихрь. Столь продолжительному существованию БКП способствует то, что у Юпитера нет твердой поверхности, трение о которую замедляло бы газовые вихри. Но этого недостаточно: существует какой-то механизм, поддерживающий циркуляцию газа в пятне. Его природа остается загадкой: пока ученые лишь строят гипотезы на этот счет.

Одна из них исходит из того, что вихрь расположен между двумя противоположно направленными потоками газа, которые действуют подобно конвейерным лентам. Приведу аналогию: зажмите между ладонями шарик для пинг-понга и начните двигать их в противоположные стороны с одинаковой скоростью. Мячик начнет вращаться, оставаясь на месте. Другая гипотеза предполагает существование вертикальных потоков газа, поднимающихся из глубины атмосферы и подпитывающих БКП энергией.

Еще один открытый вопрос — почему пятно имеет такой цвет. Предполагается, что красно-оранжевую окраску ему придают соединения, получающиеся при воздействии космических лучей или солнечного ультрафиолетового излучения на молекулы гидросульфида аммония, аммиака и ацетилена, присутствующие в тропосфере Юпитера. Ионы, на которые распадаются эти вещества, поглощают голубой, синий и фиолетовый свет, отражая красный, оранжевый и желтый. Однако приведенное объяснение — всего лишь гипотеза.

Слева — рисунок БКП, сделанный в 1881 году британским астрономом Томасом Элджером. Справа — снимок 2023 года. Фото © Damian Peach. Изображения с сайта skyandtelescope.org, юг на обоих изображениях вверху

Площадь и яркость БКП постепенно уменьшаются: в конце XIX века длина пятна составляла около 40 тысяч километров, на главном фото, сделанном в 2014 году, размер БКП равен примерно 16 тысячам километров, а к концу 2023 года его длина уменьшилась приблизительно до 13 тысяч километров — что примерно равно диаметру Земли. Почему уменьшается БКП и сохранится ли эта тенденция в будущем — неясно.

Коллаж изображений Земли и Большого красного пятна, выполненных в одном масштабе. Фотография Земли сделана экипажем «Аполлона-17» в 1972 году, БКП — зондом «Кассини» в 2000 году. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Еще одна загадка в поведении пятна — колебания, которые оно совершает параллельно экватору планеты с амплитудой 0,6–0,7° по долготе и периодом 90 дней. Недавнее исследование показало, что с такой же периодичностью изменяется и форма БКП: оно становится то более вытянутым, временно увеличиваясь в размерах, то более круглым, сжимаясь еще сильнее. Есть на Юпитере и другие вихревые пятна, например Малое, или Младшее красное пятно (официальное название — овал BA): оно образовалось в конце 1990-х годов путем слияния трех белых овальных пятен, а в 2005–2006 годах по неясным причинам внезапно покраснело.

Большое и Малое красные пятна, сфотографированные телескопом Gemini North обсерватории «Джемини» 14 июля 2006 года. Снимок обработан для повышения резкости. Он сделан в инфракрасном диапазоне, поэтому цвет пятен не соответствует реальному. Фото с сайта noirlab.edu

Как видите, с юпитерианскими пятнами связано очень много загадок. Было бы хорошо их разгадать: несмотря на то, что атмосфера Юпитера сильно отличается от земной, изучение процессов, происходящих внутри БКП, поможет ученым лучше понять физику земной атмосферы. Это важно, например, для предсказания погоды. Космические аппараты исследовали БКП, начиная с 1970-х годов: первыми зондами, которые смогли установить природу пятна, стали «Вояджер-1» и «Вояджер-2», пролетевшие мимо Юпитера в 1979 году (см. статью «Вояджеры» 46 лет спустя). До того многие ученые вообще полагали, что БКП — твердое образование, одна из форм юпитерианского рельефа.

На смену «Вояджерам» пришли зонды «Галилео» и «Кассини» (см. картинку дня Большой финал «Кассини»). Наибольший вклад в изучение БКП внесла «Юнона» (Juno), которая и по сей день продолжает исследовать Юпитер (см. картинку дня Южный полюс Юпитера).

Слева — БКП, сфотографированное «Вояджером-1» 1 марта 1979 года. Фото с сайта commons.wikimedia.org. Справа — снятое «Юноной» 1 апреля 2018 года. Фото с сайта nasa.gov

Возможно, глубже проникнуть в тайны БКП помогут будущие космические миссии — например, аппарат Juice, который прошлой весной отправился изучать Юпитер и его спутники (см. картинку дня Juice, исследователь ледяных спутников Юпитера). Прибытие зонда к Юпитеру ожидается летом 2031 года. Помимо самой планеты, особое внимание он уделит Ганимеду, чья тень запечатлена на заглавной фотографии. Ганимед — самый большой из почти ста известных спутников Юпитера. Он был открыт Галилео Галилеем в 1609–1610 годах в числе четырех крупнейших спутников Юпитера — так называемых галилеевых спутников. Перечислю их в порядке удаления от Юпитера: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Подобно Луне, эти спутники всё время повернуты к своей планете одной и той же стороной (см. картинку дня Обратная сторона Луны).

Запечатленное «Хабблом» явление, при котором тень Ганимеда падает на поверхность Юпитера, — это солнечное затмение. Они здесь нередки, бывает даже так, что на планете происходят одновременно два затмения! Причин этому несколько. Во-первых, затмение может «устроить» любой из четырех галилеевых спутников: их видимый с Юпитера угловой размер больше, чем у Солнца. Остальные спутники способны перекрыть Солнце лишь частично: такое явление называется транзитом. Во-вторых, периоды обращения этих спутников вокруг Юпитера совсем небольшие: от 1,8 земных суток у Ио до 16,7 — у Каллисто (для сравнения, у Луны — 27,3). Чем чаще спутник обращается вокруг планеты, тем чаще он будет оказываться между ней и Солнцем. И в-третьих, наклонения орбит этих спутников к плоскости орбиты Юпитера невелики: около 2° (наклонение орбиты Луны — около 5°). Чем наклонение меньше, тем (при одной и той же периодичности обращения спутника) чаще случаются затмения. В частности, при нулевом наклонении затмение будет происходить при каждом обороте спутника вокруг планеты.

Моделирование двойного солнечного затмения на Юпитере 6 июня 2005 года в симуляторе Celestia. Справа от Юпитера видны Европа и Ио; их тени на поверхности планеты образуют области, в которых можно было бы наблюдать полное затмение. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Как и на Земле, на Юпитере бывают не только солнечные, но и «лунные» затмения — события, когда один из спутников попадает в тень Юпитера. Из-за огромных размеров планеты это происходит часто. Затмения крупных спутников можно наблюдать с Земли в телескоп. В 1676 году датский астроном Олаф Рёмер обнаружил, что затмения Ио наблюдаются через неравные промежутки времени. Рёмер правильно понял причину этого: из-за годового вращения вокруг Солнца Земля оказывается то ближе к Юпитеру, то дальше от него, из-за чего время прохождения света от Юпитера к Земле меняется. Измеряя промежутки между затмениями, Рёмер получил первую в истории астрономии оценку скорости света — 220 000 км/с. Это не очень точно, но порядок величины он определил верно.

Схема, поясняющая суть эксперимента Рёмера. Рисунок с сайта commons.wikimedia.org

Ганимед — это не только самый большой спутник Юпитера, но и крупнейший спутник в Солнечной системе. Его диаметр составляет более 5000 километров, что даже больше размера Меркурия. А также это единственный в Солнечной системе спутник, обладающий сколько-нибудь заметным магнитным полем. Предполагается, что в центре Ганимеда находится богатое железом жидкое ядро; конвекция вещества в таком ядре могла бы объяснить наличие у спутника магнитного поля. Ядро заключено в силикатную мантию, окруженную толстым слоем льда. Внутри этой ледяной «шубы», предположительно, располагается один или даже несколько слоев жидкой воды, которые потенциально могут быть пригодны для зарождения жизни.

Ганимед, сфотографированный «Юноной» 7 июня 2021 года с расстояния около 1000 км. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Ганимед становился объектом внимания не только ученых, но и писателей-фантастов: например, в романе Айзека Азимова «Лакки Старр и пираты астероидов» (см. Lucky Starr and the Pirates of the Asteroids) на этом спутнике располагалась секретная база сирианцев — высокоразвитой цивилизации звезды Сириус, соперничавшей с землянами за контроль над галактикой. А Артур Кларк в рассказе «Юпитер V» расположил на спутнике вполне мирный объект — научную базу с обсерваторией и геофизической станцией.

Фото с сайта esahubble.org.

Алексей Деревянкин