Галилеевы спутники

ГАЛИЛЕЕВЫ СПУТНИКИ Юпитера - система из четырёх луноподобных спутников Юпитера, открытых итал. учёным Г. Галилеем в 1610 г. Нем. астроном С. Майр (Марий) в 1614 г. назвал их Ио, Европа, Ганимед и Каллисто (часто они нумеруются: JI, JII, JIII, JIV). Эти названия Г. с. сохранились до наших дней. Открытие Г. с. показало, что геоцентрич. восприятие мира неверно, поскольку и другие небесные тела могут быть центрами движения.

В 1675 г. датский астроном О. Рёмер использовал Г. с. для первых измерений скорости света. К началу космич. эры у Юпитера было известно уже 12 спутников. Фотографии, полученные КА США "Вояджер-1 и -2" (максимальное сближение с Юпитером 350 тыс. км 5 марта 1979 г. и 722 тыс. км 9 июля 1979 г. соответственно), позволили довести число открытых спутников Юпитера до 15. Было открыто также примыкающее к Юпитеру кольцо (внеш. его край расположен на расстоянии ок. 126 тыс. км от облачного покрова Юпитера). Массы Г. с. достаточно велики, чтобы оказывать гравитац. влияние на движение друг друга. Поэтому их орбитальные периоды (см. табл.) соизмеримы (как 1:2 для пар JI - JII, и JII - JIII и приблизительно как 3:7 для JIII - JIV).

Параметры Галилеевых спутников

Ср. плотность вещества Г. с. составляет соответственно 3,5; 3,0; 1,9 и 1,8 г/см³, т. е. плотность спутников падает по мере удаления от Юпитера. Это связано, по-видимому, с возрастанием содержания в них т. н. льдов (вода, углеводороды, возможно, аммиак в твёрдом состоянии). Если льды на Ио практически отсутствуют, то содержание их на Каллисто достигает »50% (их плотность при высоком давлении »1,2 г/см³). Макс. поверхностная темп-pa Г. с. лежит в пределах 135- 165К, так что они должны быть покрыты льдом. Лёд Н₂0 был найден спектроскопически на Европе и Ганимеде, нек-рые признаки его есть в спектре Каллисто. Парадоксальны отражающие св-ва поверхности Г. с.: альбедо падает от »0,65 для Ио и Европы до 0,19 для Каллисто.

Каллисто

Выделение энергии радиоактивного распада в скальных породах ведёт к повышению темп-ры Г. с. с глубиной, содействует гравитац. разделению льдов и "скал" и возникновению у Г. с. скальных ядер. Первые модели строения спутников предполагали наличие жидкой воды под ледяной корой толщиной ~100 км. Считалось, что теплота отводится наружу благодаря теплопроводности льда. Однако оказалось, что механизм твердотельной термич. конвекции во льду способен без наличия жидкой воды обеспечить вынос энергии в ~10³ раз больший, чем механизм теплопроводности. Поэтому ядра внеш. Г. с. должны быть окружены твёрдыми оболочками из льдов с вкраплением обломков скальных пород, захваченных конвекцией (конвекция в оболочках подобна глобальной тектонике на Земле). На изображениях, полученных "Вояджером-1 и -2" с разрешением до 1-3 км (рис. 1), на Каллисто и особенно на Ганимеде кроме метеоритных кратеров видны многочисленные сдвиги, террасы, проборождённые системами пересекающихся и параллельных ложбин, следы сбросов, разломов и т. п. По-видимому, малая прочность льдов и их текучесть не дают возможности появиться высоким горам (высота рельефа порядка неск. сотен м). Интересно наличие как на Каллисто, так и на Ганимеде двух почти антиподных крупномасштабных структур (радиусом 600-1500 км), состоящих минимум из 8-10 кольцевых концентрич. валов. Структуры напоминают затопленные лавой гигантские ударные кратеры на Луне и Меркурии. Однако отсутствие центр. кратера и радиальных выбросов, а также уменьшение числа мелких ударных кратеров но мере приближения к центру этих структур позволяют предположить, что это - места выхода восходящих конвективных потоков в ледяной оболочке.

Европа

Плотность метеоритных кратеров на Каллисто - самая высокая в Солнечной системе, на Ганимеде их плотность раза в три меньше и сопоставима с лунной, хотя должна была бы быть вдвое большей из-за притяжения метеоритов Юпитером. Т. о., поверхность у Каллисто более древняя, чем у Ганимеда, и возможно, сохранилась со времени возникновения Г. с. За время жизни Солнечной системы с поверхности Г. с. мог испариться слой льда толщиной »1 м, а поверхность оказаться покрытой содержавшимися во льду инородными включениями. Этим можно объяснить низкое альбедо Каллисто.

На Европе больших кратеров вообще нет. Найдены всего три кратера диаметром »20 км и следы многих мелких, откуда следует, что её светлая ледяная поверхность не старше неск. сотен млн. лет. Для Европы характерны многочисл. тёмные (реже светлые) полосы шириной от неск. км до и »70 км, напоминающие разломы, с перепадом высот не больше неск. десятков м. Полосы пересекают друг друга, нек-рые образуют круги, иногда опоясывающие весь спутник. Природа полос пока неясна.

На Ио ударные кратеры не обнаружены; по-видимому, поверхность Ио быстро изменяется, её возраст оценивают примерно в 10 млн. лет. Поверхность покрыта кратерами потухших вулканов, в полярных районах громоздятся горы высотой до 10 км. Наиболее впечатляющим явилось открытие "Вояджером-1" восьми действующих вулканов, необычно активных по земным масштабам. Высота вулканич. выбросов достигает 100-200 км, что соответствует начальной скорости выбросов 0,6-1 км/с (на Земле редко 0,3-0,6 км/с); ко времени пролёта "Вояджера-2" один вулкан потух, но по крайней мере шесть продолжало действовать. Все они расположены в низких широтах. В этом же поясе, но в значит. степени антиподно вулканам, обнаружены обширные нагретые области с темп-рой на »50К выше, чем у окружающей поверхности. Наземные наблюдения показали, что в районах вулканич. активности существуют также области с темп-рой »560К, но их площадь составляет лишь »5^.10^-5 поверхности диска Ио.

Ио

Открытие мощного вулканизма на Ио было для большинства исследователей совершенно неожиданным, т. к. для его существования необходимы наличие летучих веществ и дополнит. источник энергии (на Луне и Марсе сейчас нет активных вулканов). На Земле роль газа, обусловливающего извержение, играют пары воды, на Ио, как показал спектр. анализ, это О₂, а возможно, и пары серы, к-рой, по-видимому, покрыты обширные участки поверхности. Воды на Ио пока не обнаружено, хотя в плазменном кольце (точнее, торе), протянувшемся вдоль орбиты Ио и образованном вулканич. газами, содержание ионов кислорода превосходит содержание ионов серы более чем в пять раз.

Существование вулканов на Ио связано с энергетикой приливных воздействий со стороны Юпитера. Осевое вращение Г. с. практически синхронно с орбитальным, но двигаясь по слабоэксцентричным орбитам (эксцентриситет е = 0,004 для Ио и 0,01 для Европы), Г. с. испытывают действие периодически изменяющихся сил притяжения к Юпитеру. Переменные гравитац. силы изменяют деформацию Г. с., и энергия деформации частично превращается в теплоту, нагревающую недра Г. с. Для Ио выделяющейся теплоты достаточно, чтобы расплавить вещество недр. При этом деформация твёрдой коры ещё более усиливается, что ведёт к прогрессирующему увеличению приливного энерговыделения. В результате, согласно расчётам, в твёрдом состоянии остаётся поверхностная кора толщиной всего лишь ок. 18 км. Однако приливное энерговыделение максимально в высоких широтах, и не очень понятно, как тонкая кора здесь может поддерживать высокие горы и почему, с др. стороны, вулканы и нагретые области расположены в низких широтах.

Рис. 2. Схема взаимодействия Ио с магнитосферой Юпитера; I - ток, текущий через тело спутника (Ио).

Др. источником энергии явл. магн. поле Юпитера. Магнитосфера - область, где сосредоточена околопланетная разреженная плазма с "вмороженным" в неё магн. полем Юпитера, вращается вплоть до орбиты Каллисто почти как целое вместе с планетой (период »10 ч). Поскольку Г. с. движутся по орбитам медленнее, с периодами, превышающими 10 ч, в них наводится эдс и возникает электрический ток, к-рый протекает через ионосферы и тела спутников и замыкается через окружающую плазму (см. Магнитосферы планет). Ток течёт вдоль магн. силовой трубки, заключающей спутник, и замыкается в верхних слабоионизованных слоях атмосферы Юпитера (рис. 2). Протекание тока порождает различные неустойчивости плазмы, ведущие, в частности, к генерации радиоволн. Декаметровое радиоизлучение (мощностью ~10⁸ Вт), связанное с Ио, известно с 60-х гг. 20 в. Из данных "Вояджера-1" можно заключить, что через Ио и его ионосферу течёт ток»10 MA. Произведение тока на эдс даёт верхнее значение электрич. мощности, к-рая может выделяться в теле спутника. Оно может быть много больше мощности радиоактивного энерговыделения.

Особенности строения Ио можно попытаться объяснить, напр., в рамках следующей модели. Поскольку макс. эдс генерируется в спутнике между самой близкой и самой далёкой относительно Юпитера точками, лежащими на экваторе спутника, то макс. джоулева энергия выделяется в низких широтах, где и расположены вулканы. Энерговыделение размазывается по долготе из-за слабой асинхронности осевсго и орбитального вращений, вызванной приливным воздействием поля тяготения Юпитера. Избыточное энерговыделение в низких широтах вызывает глобальную конвекцию вещества спутника, направленную у поверхности от экватора к полюсам, где при столкновении формирующих кору плит вырастают горы.

Ганимед

Однако недавние измерения теплового потока с Ио показали, что он составляет »8^.10¹³ Вт, т. е. сильно превышает возможности электрич. нагрева. Такой поток может быть обеспечен только приливным энерговыделением при наличии жидких недр. Вопрос о природе обнаруженных особенностей строения поверхности Ио остаётся пока открытым.

Система Г. с. всегда играла важную роль при разработке концепций происхождения Солнечной системы. В частности, прежние классич. теории образования планетной системы усматривали определённую аналогию между "скальными" Ио и Европой и планетами земной группы, с одной стороны, и между ледяными Ганимедом и Каллисто и планетами-гигантами - с другой. Считалось, что в обоих случаях различие обусловлено отгоном летучих компонентов (газов, паров воды) на периферию системы под действием излучения горячего центр. тела. Однако расчёты сжатия молодого Юпитера показали, что его темп-pa никогда не превышала 612К, так что у тела, нагреваемого излучением Юпитера, на орбите Ио темп-pa не могла быть больше 145К, и вода здесь могла конденсироваться. Это заставляет с разных позиций подходить к процессам формирования планет Солнечной системы и Г. с.

Дальнейшее изучение Г. с. имеет большое значение для решения проблемы происхождения Солнечной системы и путях её эволюции.

Лит.: Маров М. Я., Планеты Солнечной системы, М., 1981; Юпитер, т. 1-3, пер. с англ., под ред. Т. Герелса, М., 1978-79.

(Э.М. Дробышевский)