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