Warto przeczytać

Historyczny przełom

Do czasów Galileusza, który zbudował pierwszy teleskop, poza ziemskim Księżycem nie był znany żaden inny naturalny satelitanaturalny satelita - księżycnaturalny satelita w Układzie Słonecznym. Tak Galileusz opisuje swoje odkrycie w dziele „Wysłannik gwiazd”, opublikowanym 12‑go marca 1610 roku:

„Pozostała sprawa, która według mnie jest najważniejszej wagi – odkrycie czterech planet nigdy nie widzianych przez człowieka od stworzenia świata aż po dzień dzisiejszy, odkrycie poparte badaniami ich ustawień oraz obserwacją ich ruchów przez ostatnie dwa miesiące… Dnia zatem siódmego stycznia bieżącego tysiąc sześćset dziesiątego roku w pierwszej godzinie nocy, kiedy oglądałem ciała niebieskie przez lunetę, nadarzył mi się wówczas Jowisz. A ponieważ przygotowałem sobie bardzo dokładny przyrząd, spostrzegłem – co mi się nie udawało wskutek niedoskonałości poprzedniego przyrządu – że obok tej planety są trzy małe, ale jasno świecące gwiazdki. Chociaż uznałem je za gwiazdy stałe, wzbudziły we mnie pewną ciekawość, ponieważ ułożyły się dokładnie na linii prostej, równoległej do ekliptyki, i były jaskrawsze od innych podobnej wielkości.”

Tu następuje opis kilkudniowych obserwacji Galileusza w jego dziele. Opisuje on pełen zachwytu, jak w ciągu godzin obserwacji te niesamowite trzy obiekty przesuwały się po linii, na której leżały.

„Wtedy już doszedłem do niewątpliwego wniosku, że istnieją trzy gwiazdy niebieskie krążące wokół Jowisza, podobnie jak Wenus i Merkury krążą wokół Słońca. Stało się to zupełnie oczywiste z obserwacji, które nastąpiły później. Okazało się jednak, że nie trzech, a czterech wędrowców wykonuje swe obroty wokół Jowisza.”

Podczas conocnych obserwacji 16‑tego stycznia Galileusz dostrzegł czwartą „gwiazdkę” leżącą na tej samej linii. Zrozumiał on wtedy, że obiekt ten do tej pory był niejako schowany za Jowiszem. Następnie podekscytowany astronom opisuje obserwacje i pomiary odległości między tymi obiektami oraz ich ruchu wraz z Jowiszem na tle gwiazd stałych w ciągu dwóch miesięcy.

„Mamy tu piękny i elegancki argument dla rozwiązania wątpliwości tych, którzy akceptują bez wahania obiegi planet wokół Słońca w systemie Kopernika, z niepokojem przyjmują, że jedynie Księżyc obiega Ziemię i towarzyszy jej w rocznym obiegu wokół Słońca. Niektórzy wyrażali przekonanie, że taka struktura świata winna być odrzucona jako niemożliwa. Teraz jednak mamy nie tylko jedną planetę obiegającą drugą i wraz z nią wykonującą obieg wokół Słońca, lecz na własne oczy możemy zobaczyć cztery gwiazdy wędrujące wokół Jowisza, podobnie do Księżyca obiegającego Ziemię, przy czym wszystkie razem z Jowiszem zakreślają wielką orbitę wokół Słońca w obiegu trwającym dwanaście lat...”

Więcej o Galileuszu i jego dziełach dowiesz się z e‑materiału „Kim był Galileusz?”. Obserwacje Galileusza były przełomowym odkryciem w ówczesnym świecie. Każdy kto miał okazję przeczytać to dzieło, zachwycał się nim i opowiadał kolejnym osobom. Dopiero 300 lat później zaczęto odkrywać kolejne naturalne satelity Jowisza. Daty odkryć poszczególnych księżyców przedstawione zostały w Tabeli 1.

Dziś po ponad 400 latach wiemy, że Jowisz ma znanych 79 księżyców, ale cały czas dzięki rozwojowi nauki mogą zostać odkryte nowe, które za każdym razem tak samo zachwycają naukowców. Księżyce Jowisza pogrupowano ze względu na dużą ich różnorodność.

Podział księżyców Jowisza

Księżyce Jowisza dzieli się na dwie główne grupy oraz kilka podgrup:

- księżyce regularne:

• grupa Amaltea lub księżyce wewnętrzne,

• księżyce Galileuszowe lub grupa główna (wyróżnione w tabeli),

- księżyce nieregularne:

• księżyce o ruchu prostym - ich ruch po orbicie jest zgodny z obrotem planety,

• księżyce o ruchu wstecznym - ich ruch po orbicie jest przeciwny do obrotu planety.

Podgrupy księżyców nieregularnych dzielą się na mniejsze pod względem podobieństw do jednego z księżyców tej grupy. Na przykład jedna podgrupa księżyców z grupy o ruchu prostym o nazwie Himalia charakteryzuje się podobną inklinacjąinklinacjainklinacją, nachyleniem osi obrotu oraz wiekiem i składem chemicznym księżyców. Prawdopodobnie księżyce należące do tej podgrupy powstały w tym samym czasie i zostały przyciągnięte do Jowisza z pasa planetoidpas planetoidpasa planetoid. Istnieje kilka księżyców, które należą do grupy o ruchu prostym, ale nie mają ani parametrów fizycznych, ani orbitalnych podobnych do pozostałych obiektów. Takimi księżycami są na przykład: Temisto, Karpo lub Valetudo.

Grupę retrograde dzieli się na przy podgrupy: Karme, Anake i Pasifae. O małych księżycach, znajdujących się na dużych odległościach od Jowisza (ponad 10 mln km) niewiele wiadomo. Obiekty te są zbyt małe, aby dokonać dokładnych pomiarów ich budowy bez użycia sond kosmicznych znajdujących się blisko nich. Prawdopodobnie są to obiekty, które w wyniku zderzeń w przestrzeni okołojowiszowej rozdzieliły się na mniejsze i dzięki siłom grawitacji pozostały związane z planetą. Są to bardzo nieregularne skalisto‑lodowe obiekty.

Pozostałe księżyce nie ujęte w tabeli to księżyce nieregularne, z czego 7 ma średnice z zakresu 5‑7 km, a pozostałe średnice są mniejsze niż 5 km i zostały odkryte po 2000 roku.

Księżyce Galileuszowe – najważniejsze cechy

R1Dh2YVZrVPlL

Rys. 2. Ilustracja przedstawia grafikę, na której zaprezentowano porównanie księżyców Galileuszowych z wielkością Jowisza. Tło grafiki przedstawia czarną przestrzeń kosmiczną. Z lewej strony widoczny jest niewielki fragment Jowisza w postaci fragmentu szarej ogromnej Kuli. Na powierzchni Jowisza widoczne są brązowe chmury tworzące wiry. Po prawej stronie grafiki widoczne są cztery mniejsze kule symbolizujące księżyce Jowisza. Księżyce są znacznie mniejsze od samej planety i wszystkie są podobnej wielkości. U góry widoczny jest księżyc Io w postaci żółtobrązowej kuli. Nieco niżej widać księżyc Europa w postaci szarobrązowej kuli. Drugi od dołu widoczny jest księżyc Ganimedes w postaci szarej kuli z ciemniejszymi plamami. Najniżej widoczny jest księżyc Kalisto w postaci ciemnoszarej kuli z jasnymi plamkami na powierzchni.

Księżyce Galileuszowe są jednymi z największych znanych księżyców w Układzie Słonecznym. Ze względu na poruszanie się w silnym polu magnetycznym planety, każdy z tych księżyców ma niewielkie indukowane pole magnetyczne. I jest jeszcze jedno ciekawe zjawisko: na cztery obiegi Io wokół Jowisza przypadają dwa obiegi Europy i jeden Ganimedesa. Natomiast na trzy obiegi Ganimedesa przypada siedem obiegów Kalisto. Zjawisko to nazywa się rezonansem orbitalnymrezonans orbitalnyrezonansem orbitalnym. Rezonans ten ma wpływ na kształt orbit – ich eliptyczność - oraz wymusza siły pływowesiły pływowesiły pływowe, które deformują księżyce oraz generują energię cieplną wnętrza. Zjawiska fizyczne rządzące tym układem sprawiają, że każdy z księżyców jest inny.

R1MQDiS0eBKr2

Rys. 3. Ilustracja przedstawia kombinację dwunastu zdjęć w czterech kolumnach. Zdjęcia prezentują cztery księżyce Jowisza, po jednym w każdej kolumnie. Górne zdjęcie w kolumnie przedstawia księżyc, środkowe zbliżenie jego powierzchni a najniższe prezentuje maksymalne przybliżenie. Księżyce w kolumnach uszeregowane są od najbliższego do najdalszego od powierzchni Jowisza, gdzie najbliższy księżyc Io widoczny jest w kolumnie lewej. Powierzchnia księżyca Io jest żółta z niewielkimi ciemniejszymi plamkami. Ciemniejsze plamki to wzgórza i kratery na powierzchni księżyca. W zbliżeniu widać, że powierzchni Io nie jest gładka a różnice w wysokościach terenu są znaczne. Na maksymalnym powiększeniu widać również chmury unoszące się nad powierzchnią naturalnego satelity Jowisza. W drugiej kolumnie od lewej widoczny jest księżyc Europa. Powierzchnia Europu jest szaro brązowa. W zbliżeniu widać, że powierzchnia Europy jest znacznie gładsza niż w przypadku księżyca Io. Na szarej powierzchni widać jednak brązowe ślady w kształcie rys lub chaotycznie ułożonych brązowych linii. W maksymalnym powiększeniu widać, że powierzchnia Europy pokryta jest śladami przypominającymi chaotyczne rysy. W trzeciej kolumnie przedstawiony został księżyc Ganimedes. W oddaleniu, powierzchnia księżyca jest szara z ciemniejszymi obszarami. W przybliżeniu powierzchnia Ganimedesa nadal jest ciemna ale widoczne są na niej rzadko rozsiane kratery. W maksymalnym powiększeniu poza kraterami widoczne są również chaotycznie rozmieszczone rysy. Ostatnia kolumna prezentuje księżyc Kalisto. Powierzchnia Kalisto w oddaleniu jest ciemna i usiana jasnymi punktowymi obszarami. W powiększeniu widać, że powierzchnia Kalisto jest najgładsza z zaprezentowanych satelitów Jowisza. Po maksymalnym powiększeniu na powierzchni Kalisto widoczne są jedynie rzadko rozmieszczone kratery.

Io jest najbardziej wulkanicznym ciałem niebieskim w Układzie Słonecznym. Jego głównym budulcem są krzemiany, czyli takie same składniki, jak we wnętrzach planet skalistych. Wewnętrzne ciepło tego księżyca i ogromne wyrzuty lawy sięgające kilkuset kilometrów są wynikiem sił grawitacyjnych pochodzących z jednej strony od Jowisza, a z drugiej od masywnych Europy i Ganimedesa. Przez silną aktywność wulkaniczną powierzchnia Io cały czas się odnawia. Kolejne wybuchy wulkanów i pęknięcia cienkiej skorupy wypuszczają na powierzchnię stopione skały, które zalewają powierzchnię i zastygają, tworząc nową skorupę. Io ma również cieniutką atmosferę, której głównym składnikiem jest dwutlenek siarki. To właśnie siarka nadaje temu księżycowi żółto‑pomarańczowy kolor. Atmosfera ta przechodzi w bardzo rzadką jonosferę, która tak jak i na innych ciałach niebieskich tworzy się w wyniku oddziaływania silnego promieniowania kosmicznego. Cząsteczki z atmosfery, głównie dwutlenek siarki, zostają zjonizowane i zasilają jonosferę. Io porusza się w bardzo silnym polu magnetycznym Jowisza, indukującym prąd elektryczny w otoczeniu księżyca i w jego atmosferze. Ponadto magnetosfera powoduje wywiewanie tej zjonizowanej materii z powierzchni Io w ilości około jednej tony na sekundę. Część materii wpada w atmosferę planety po trajektoriach zgodnych z liniami pola magnetycznego, tworząc torus materii pomiędzy Io a Jowiszem, a pozostała materia rozciąga się wokół planety. Zjonizowane cząsteczki powodują zorze polarne zarówno na Io, jak i na Jowiszu.

R7GPak6fUHYxd

Rys. 4. Ilustracja przedstawia zdjęcie jednego z księżyców Jowisza, Io. Na tle czarnej przestrzeni kosmicznej widoczna jest okrągła żółta planeta z ciemniejszymi plamami na powierzchni. Ciemne plany to góry oraz kratery znajdujące się na powierzchni księżyca.

Europa charakteryzuje się małą różnorodnością wysokości na powierzchni oraz licznymi chaotycznymi spękaniami. Nieliczne kratery na powierzchni wyglądają zupełnie inaczej niż te, które znajdują się na innych ciałach niebieskich. Kratery na Europie nie są głębokie, nie mają charakterystycznych wałów na obrzeżach oraz stożków centralnych. W środku kraterów oraz na ich krawędziach zauważyć można liczne spękania. Budowa wewnętrzna Europy jest wyraźnie zróżnicowana. Żelazne jądro otoczone jest krzemianami. Zewnętrzna warstwa płaszcza to ocean słonej wodny, który przykryty jest lodową skorupą. Istnienie wody w stanie ciekłym może być możliwe tak daleko od Słońca właśnie dzięki ogromnym siłom pływowym powodowanym przez Jowisza oraz Ganimedesa. Siły te generują wewnętrzne ciepło księżyca. Europa ma bardzo cienką i rzadką atmosferę składająca się głównie z wodoru i tlenu, które powstaje z rozkładu cząsteczek wody.

R1cBaYLPk6h9B

Rys. 5. Ilustracja przedstawia zdjęcie jednego z księżyców Jowisza, Europy. Na tle czarnej przestrzeni kosmicznej jasnoszara, prawie biała, kulista planeta. Planeta jest prawie jednolitego koloru, jedynie gdzie nie gdzie widoczne są odrobinę ciemniejsze, szare plamki.

Ganimedes jest największym księżycem w Układzie Słonecznym, a ponadto jest większy od najmniejszej planety, czyli od Merkurego. Ma jednak małą gęstość, co sprawia, że jego masa stanowi zaledwie połowę masy Merkurego. Budowa wewnętrzna Ganimedesa jest podobna do budowy wewnętrznej Europy, lecz znacznie bardziej zróżnicowana. W samym środku znajduje się żelazne jądro, które przykrywa gruby, krzemianowy płaszcz. Powyżej płaszcza znajdują się warstwy naprzemienne gęstego lodu oraz słonej wody. Tak zwany gęsty lód nie występuje naturalnie na Ziemi. Powstaje on we wnętrzu księżyca pod wpływem bardzo wysokiego ciśnienia. Prawdopodobnie jest to lód‑II, czyli odmiana trygonalna powstająca przy ciśnieniu rzędu 300 MPa. Skorupa Ganimedesa, tak jak i Europy, jest lodowa. Jednak powierzchnia Ganimedesa jest zróżnicowana. Jaśniejsze obszary charakteryzują się występowaniem rowów i są młodsze geologicznie. Natomiast starsze, ciemniejsze obszary, charakteryzują się występowaniem kraterów. Na powierzchni występują również góry, które prawdopodobnie wypiętrzyły się podczas przesuwania się płyt, na Ziemi nazywanych kontynentalnymi. Ganimedes ma bardzo rzadką tlenową atmosferę. Jest ona wynikiem dysocjacji lodu z powierzchni podczas napromieniowania. Cząsteczki lodu z powierzchni rozpadają się. Wodór powstały w tej reakcji, w większości zostaje uwolniony do przestrzeni kosmicznej – podobnie jak w atmosferze Europy.

Co ciekawe Ganimedes jest jedynym znanym księżycem w Układzie Słonecznym mającym własne dipolowe (a nie tylko indukowane) pole magnetyczne. Prawdopodobnie część jądra jest ciekła i pole magnetyczne wytwarza się poprzez efekt dynama, dokładnie tak jak na Ziemi.

RLIOlWd95lv0I

Rys. 6. Ilustracja przedstawia zdjęcie jednego z księżyców Jowisza, Ganimedes. Na tle czarnej przestrzeni kosmicznej widoczna jest szara planeta z ciemniejszymi szarymi obszarami. Na powierzchni planety widoczne są jasne punkty.

Kalisto jest drugim co do wielkości księżycem Jowisza, a także trzecim co do wielkości księżycem Układu Słonecznego. Księżyc ten ma bardzo starą powierzchnię, usianą kraterami i nie przejawiającą żadnej aktywności. Kalisto jest najciemniejszym z księżyców Jowisza – odbija niespełna 17% promieniowania słonecznego. Część badań wskazuje, że pod bardzo grubą skorupą znajduje się słony ocean o grubości zaledwie 10 km. Głębsze warstwy Kalisto to prawdopodobnie mieszanina krzemianów i wody, która wraz z głębokością zmienia się – wzrasta ilość krzemianów. To powoduje, że Kalisto nie ma wydzielonego żelaznego jądra, tak jak pozostałe księżyce Galileuszowe. Jednak ze względu na niedostateczną ilość badań budowa wewnętrzna Kalisto jest nadal do końca nie wyjaśniona.

Ciekawostką jest to, że NASA rozważa wybudowanie bazy na Kalisto w celu eksploracji układu Jowisza. Powierzchnia księżyca jest stabilna, promieniowanie jest nieznaczne, więc to najlepsze miejsce postojowe dla statków kosmicznych.

RJoUTnyBljazR

Rys. 7. Ilustracja przedstawia zdjęcie jednego z księżyców Jowisza, Kalisto. Na tle czarnej przestrzeni kosmicznej widoczna jest ciemnoszara planeta z ciemniejszymi obszarami. Na powierzchni planety widoczne są jasne punkty.

Słowniczek