Óriásbolygók. Molnár László MTA CSFK CSI

Átírás

1 Óriásbolygók Molnár László MTA CSFK CSI CSILLAGÁSZATI ALAPTANFOLYAM 2013

2 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)

3 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

4 Jupiter P = 11,86 év a = 5,2 AU e = 0,05 i = 1,3 R 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= C, hőtöbblet, képződéshő még nem sugározódott el folyékony fémes H rétegben áramlások dinamó mágneses tér (10 x földi) kiterjedt magnetoszféra

5 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

6 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

7 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

8 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

9

10 Galileo Voyager-2 Credit: NASA / JPL / color mosaic by Bjorn Jonsson

11 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

12 Belső szerkezet H eltérő fázisállapotai Folyékony H2 túl van a kritikus ponton, folyamatos átmenet a gázból Fémes H2 magnetoszféra, feloldhatta a kőzetmagot

13 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)

14 Légkörök összetétele

15 Cassini villám

16 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

17 Központi örvény

18 UV - Hubble Látható IR forró folt a póluson - Keck közeli IR (mélyebb felhőrétegek) közép-ir (sztratoszféra) - VLT

19 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

20 Sötét és világos foltok HST NICMOS

21 Sok mágiával (lucky imaging: sok rövid exp. felvétel átlagolása; korrekció a forgásra, szelekre; felüláteresztő szűrő a részletek kiemelésére) ennyi rélszlet - Keck:

22 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

23 HST látható és NIR

24 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?

25 Magnetoszférák

26 Magnetoszférák - Uránusz

27 Sarki fény Mind a négy bolygónál Jupiter, Szaturnusz földihez hasonló, poláris gyűrűk

28 Sarki fény Holdak lábnyomai: hold-bolygó fluxuscsövek Áramok az égitestek között hold-aktivitás, vulkanizmus erősíti

29 Sarki fény Holdak lábnyomai: hold-bolygó fluxuscsövek ionok elektronok Tórusz, kénatomok

30 Sarki fény Holdak lábnyomai: hold-bolygó fluxuscsövek Szaturnusz-Enceladus között is

31 Sarki fény Cassini helyszíni detektálás (Szaturnusz)

32 Sarki fény Uránusz pár perces foltok a nappali oldalon Forgás- és mágneses tengely geometriája miatt

33 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

34 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

35 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

36 A Prometheus hullámokat kelt az F-gyűrűben, Szaturnusz-távolban Ismeretlen, apró holdacskák nyoma az F-gyűrűben

37 E gyűrű és az Enceladus

38 A Daphnis hold keltette hullámok a Keeler-rés mentén (1 km magasak)

39 Diffúz porgyűrű Phoebe hold pályája mentén Csak infravörösben megfigyelhető

40 Jupiter híg diffúz porgyűrű, anyaga cserélődik, utánpótlás a belső holdakról

41 Uránusz kb. egy tucat vékony gyűrű 10 m-es sötét darabokból, köztük finom por

42 Neptunusz 3 vékony és 2 széles, halvány gyűrű mind nagyon sötét Adams fényesebb ívekből áll eredet nemtisztázott

43 Külső bolygók kutatása bolygók, holdak, gyűrűk, mágneses tér, stb. vizsgálata Pioneer-10, (1973) Ulysses ( ) ekliptika síkjára merőlegesen, 6 éves periódussal keringett a Nap körül Galileo ( ) 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)

44 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...

45 Juno Érkezés: 2015 Gravitácós tér, magnetoszféra, belső szerkezet Fotók, holdak: nem prioritás

46 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

47 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...

48 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

49 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

50 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

51

52 Europa Globális jégpáncél, rianások Kráterek alig Folyékony vízóceán ~100 km mélyen Oxigén exoszféra Egyik legjobb hely földönkívüli életre

53 Europa káosz régiók - olvadt zsebek?

54 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?

55

56 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

57 Valhalla központi régió

58 Kis holdak Belső holdak Legnagyobb: Amalthea Külső holdak: irreguláris rendszer Befogott kisbolygók lehetnek Több alcsalád széttöredezett nagyobb (de így is kicsi) égitestek

59 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

60 Szaturnusz holdjai Két hasonló jéghold Nincs aktivitás Dione Repedések Rhea Vékonyka gyűrű? - nem Vékonyka légkör!

61 Pan Szaturnusz holdjai Kis holdak Atlas por lerakódás a gyűrűkből Égi mechanika trójai holdak: Dione és Tethys körül Polydeuces Helene Calypso Telesto

62 Szaturnusz holdjai Égi mechanika Koorbitálisok: közel azonos pályán, helyet cserélnek Janus és Epimetheus

63 Enceladus Legkisebb aktív égitest D = 500 km tigriskarmolások : vízgejzírek Melegebbek ~ 40 fokkal

64 Enceladus Mi hajtja? Túl gyors, időszakosnak kell lennie Karmolások felszíne néhány millió éves lehet

65 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

66

67 Titán Cassini IR és radar, hogy átlásson a felhőkön Dűnemezők alacsony szélességek Tavak/tómedrek pólusok körül Kevés kráter, feltöltődés jelei Csapadék: metán, etán, stb

68 Tavak, folyók

69 Huygens 2005 Folyómeder! (Kiszáradt) tómeder-szerű alakzat!!!

70 110 km

71 90 km

72 70 km

73 25 km

74 Huygens 2005 Első landolás a külső Naprendszerben Vízjég kavicsok sötétebb talajon Időszakosan folyadékkal borított partszakasz lehet

75 Uránusz holdak Puck Miranda Ariel Umbriel Titania Oberon Miranda Verona-hasadék 5 km mély keletkezési elméletek széttört és újra összeállt? Nem. árapályfűtés, kriovulkanizmus

76 Umbriel Titania Oberon Ariel

77 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

78 sárgadinnye felszín legősibb Sarki jégsapka Jeges lávával kitöltött, sima területek kráterek Kriovulkánok/ gejzírek nyomai

79