Jupiter

Inleiding

Jupiter was al bij de vroegste astronomische waarnemers bekend en werd later treffend naar de Romeinse oppergod genoemd. Hij is verreweg de grootste planeet van ons zonnestelsel, met een massa van 318 keer die van de Aarde en een omvang die groot genoeg is om meer dan 1 300 planeten van de afmetingen van de Aarde te omvatten. Jupiter bevat 70 % van alle extrasolaire massa in het zonnestelsel. Toch is de dichtheid van Jupiter maar 1,3 groter dan die van water, wat erop duidt dat de samenstelling van de planeet geheel verschillend is van die van de Aarde: het is een gasachtig in plaats van een rotsachtig lichaam.

Door de telescoop ziet Jupiter eruit als een gele, afgeplatte schijf waarover evenwijdig aan elkaar oranje-rode strepen lopen die vaak tekenen van turbulentie vertonen. Door bestudering van de bewegingen aan de oppervlakte, zoals bij voorbeeld die van de Rode Vlek, heeft men de snelle rotatieperiode van de massieve planeet kunnen vaststellen. Jupiter draait van alle planeten het snelst om zijn as en dat is ook de reden waarom hij meer dan de andere is afgeplat - de equatoriale diameter is 142 800 km, 8 600 km groter dan de polaire diameter. In 1955 werden uitbarstingen van radiostraling op de planeet waargenomen en een paar jaar later werd een aanhoudende synchrotonstraling van kortere golflengte opgevangen.

Synchrotonstraling ontstaat doordat elektrisch geladen deeltjes met hoge snelheid in een magnetisch veld bewegen. Men vermoedde daarom dat het magnetisch veld van Jupiter elektronen inving.

Toen de Amerikaanse ruimtesonde -Pioneer 10(zie foto) in december 1973 langs Jupiter passeerde, werd deze hypothese proefondervindelijk bevestigd. Jupiter heeft het krachtigste magnetisch veld van alle planeten - ongeveer 5 maal sterker dan dat van de Aarde. Toen de Pioneer 10 door de stralingsgordels van Jupiter passeerde, kreeg de ruimetcapsule een dosis straling van de ingevangen elektronen te verduren die 400 keer sterker was dan een dodelijke stralingsdosis voor de mens.

De atmosfeer van Jupiter

De kern van Jupiter heeft een diameter van 14.000 km, bestaat uit gekristalliseerd NiSiO3 gesteente en heeft een temperatuur van 25.000 K. Daar omheen bevindt zich een ongeveer 40.000 km dikke laag van metallische waterstof (90%) en helium (10%). Door een relatief dunne overgangslaag wordt deze laag gescheiden van de buitenste laag van vloeibaar moleculair waterstof die een dikte van 20.000 km heeft waarbij naar binnen toe de temperatuur en druk toenemen. Behalve waterstof en helium komen in lagere concentraties ook methaan, ethaan en koolstofdioxide voor.

Deze samenstelling toont verrassende overeenkomsten met die van de Zon. Men heeft zelfs berekend dat als Jupiter gevormd was uit materiaal dat dicht genoeg was om de planeet een 50 maal (andere bron 100 maal?) grotere massa te geven, er kernfusiereacties in het inwendige zouden zijn gestart, waardoor de planeet tot een ster zou zijn geëvolueerd. Ons zonnestelsel zou dan een dubbelsterstelsel geweest zijn.

De mysterieuze Rode Vlek aan het oppervlak van Jupiter blijft ondanks de nabije waarnemingen van de Pioneer en Voyager ruimtesondes nog een groot raadsel. Er is een aantal theorieën opgesteld om te verklaren hoe dit fenomeen, eeuwenlang in de atmosfeer van Jupiter heeft kunnen blijven bestaan. (De vlek is minstens 300 jaar oud, als tenminste de 17de-eeuwse waarnemers hetzelfde verschijnsel waarnamen). De rand van de Vlek roteert tegen de wijzers van de klok in en daar hij zich op het zuidelijk halfrond van de planeet bevindt heeft men hieruit afgeleid dat het waarschijnlijk een hoog-drukgebied is.

De rode kleur wordt waarschijnlijk veroorzaakt door fosfor, dat door fotochemische afbraak uit fosfine ontsaat (de fosfine wordt van onderaf door de atmosfeer omhoog gezogen).

De Rode Vlek en de kleinere witte ovale vlekken liggen tussen gebieden waar de wind in tegengestelde richtingen waait. De windsnelheden lopen soms op tot 500 km per uur en aan de grensgebieden worden snelheidsverschillen bereikt van 650 km per uur. De windgebieden vallen samen met de gekleurde gordels die betrekkelijk stabiel op dezelfde breedtegraad blijven. De vlekken roteren door de wrijfkracht tussen aangrenzende windstromen, ongeveer zoals boomstammen onder een voortgesleepte last rollen.

Het inwendige van Jupiter

Uit waarnemingen vanaf de Aarde is reeds veel bekend geworden over het inwendige van Jupiter, omdat op die manier de omvang, de vorm en de massa van de planeet konden worden vastgesteld. Men kan bij voorbeeld de verhouding tussen de gasmassa's van Jupiter en zijn vaste kern afleiden uit de baanbewegingen van zijn manen.

De bewegingen van de manen volgen het gravitatieveld van de planeet. Door de afplatting aan de polen en het daaruit volgende massasurplus aan de evenaar ontstaat een draaimoment dat een precessiebeweging veroorzaakt in de banen van de 16 satellieten (Metis, Adrastea, Amalthea, 1979 J 2, lo, Europa, Ganymedes, Callisto; Leda, Himalia, Lysithea, Elara, Ananke, Carme, Pasiphaë, Sinope) die rond de planeet wentelen.

Normaal absorberen planeten licht van de Zon en stralen evenveel energie weer uit naar de ruimte in de vorm van warmte. Infraroodmetingen wijzen echter uit dat Jupiter twee maal zoveel energie uitzendt dan absorbeert. Deze extra energie is vermoedelijk een overblijfsel uit de tijd dat Jupiter gevormd werd en ligt opgeslagen in de kern.

Een andere mogelijke verklaring voor dit fenomeen is het onder invloed van de zwaartekracht langzaam compacter worden van Jupiter dat met uitstraling van hitte gepaard gaat. Met behulp van theoretische modellen heeft men berekend dat het grootste deel van de planeet bestaat uit vaste waterstof en dat alleen de toplagen van Jupiter gasvormig zijn.

Het magnetisch veld van Jupiter

De bron van Jupiters krachtige magneetveld is waarschijnlijk ook een inwendige dynamo die door de snelle rotatie van de planeet wordt aangedreven. Het magnetisch veld van Jupiter is omgekeerdt ten opzichte van dat van de Aarde, zodat een aards kompas op Jupiter naar het zuiden zou wijzen.
Door de grote sterkte van het magnetisch veld en de relatieve zwakte van de zonnewind in de buurt van de planeet - Jupiter staat op 5,2 AE van de Zon - heeft de planeet een zeer uitgestrekte magnetosfeer, met een staart die minstens tot aan Saturnus reikt.

Vóór de vlucht van de Voyager naar Jupiter waren van de planeet 13 manen bekend. De binnenste, Amalthea, wentelt op een afstand van 180 000 km rond de planeet, en de buitenste, Sinope, heeft op een afstand van 24 miljoen kilometer 758 dagen nodig om een volledige omloop om Jupiter te voltooien.

De ringen

Ontdekking
Een eerste aanwijzing dat Jupiter een ringenstelsel had, kwam in 1974 van het ruimtetuig Pioneer 11. Op een bepaald moment gaf het instrument dat het aantal hoogenergetische deeltjes mat, een plotse daling aan. Sommige wetenschappers leidden daaruit af dat de Pioneer 11 een onbekende ring had gepasseerd, die de deeltjes tegenhield. Weinig wetenschappers geloofden dit echter, tot Voyager 1 in 1979 fotografisch bewijs leverde. Voyager 2 bestudeerde de ringen iets nauwgezetter, en Galileo kon in 1996-1997 uitgebreide metingen uitvoeren.

Eigenschappen
Het ringenstelsel van Jupiter bestaat uit drie zones. De hoofdzone strekt zich uit van 1,72 tot 1,81 Jupiterstralen, en is 7 000 km breed en 30 km dik. De buitengrens is vrij scherp, de binnengrens vager. Zelfs op dit dikste deel van de ring is deze zeer zwak. De maantjes Adrastea en Metis zitten in deze ring.

Rond de ring ligt een grote halo van zo'n 20 000 km dik. De eigenlijke 'ring' wordt dus nog eens omgeven door een ijle torus.
Buiten deze hoofdring ligt een tweede, nog veel zwakkere ring, die zeer langzaam vervaagt tot hij op 3,1 Jupiterstralen opgaat in het interplanetaire medium. De maantjes Amalthea en Thebe bevinden zich in deze ring, en zijn wellicht de bron van het materiaal in deze zwakke buitenring.

De binnenring van Jupiter bestaat uit zeer kleine stofdeeltjes, 1 tot 2 micron groot. Dergelijke stofdeeltjes eroderen op een periode van 1 000 jaar gemakkelijk weg, wat aangeeft dat de ring van Jupiter erg jong is, en dus ofwel voortdurend ververst wordt, ofwel slechts tijdelijk bestaat. Wellicht is het stof grotendeels afkomstig van de maantjes Adrastea en Metis, die gebombardeerd worden door micrometeorieten en materiaal afkomstig van Io.

De drie ringen van Jupiter.
Het magnetische veld van Jupiter creëert een voortdurende elektromagnetische kracht, de Lorentz-kracht, die de deeltjes vanuit het binnenste van de hoofdring wegduwt naar een grotere inclinatie, waar ze in de torusvormige halo terechtkomen. In die halo worden de stofdeeltjes verder fijngemalen, tot ze op 0,03 micron bijna geen invloed meer ondervinden van de aantrekkingskracht. Enkel de magnetische kracht werkt dan nog op hen in, zodat ze via de magnetische veldlijnen uit de halo worden weggeslingerd en op de polen van de planeet terechtkomen.

De studie van het ringenstelsel van Jupiter heeft duidelijk gemaakt dat dergelijke stelsels erg jong zijn en sterk afhankelijk van voortdurende verversing door kleine maantjes en mooms.

De manen

Erg gekend zijn natuurlijk de Galileïsche manen van Jupiter: Io, Europa, Ganymedes en Callisto. Daarnaast bezit Jupiter een reeks mini-maantjes: Metis, Adrastea, Amalthea, Thebe, Leda, Himalia, Lysithia, Elara, Ananke, Carme, Pasiphae, Sinope, en de nog onbenoemde S/1975J1, S/1999J1, S/2000J2-S/2000J11 en S/2001J1-S/2001J11. Gewone kleine ijsmaantjes kregen de kans niet om zich te vormen in het Jupiterstelsel.

Belangrijke gebeurtenis:

De inslag van komeet Shoemaker-Levy 9
In de periode tussen 18 en 24 juli 1994 kreeg Jupiter een reeks inslagen van de komeet Shoemaker-Levy 9 te verwerken. Twee jaar eerder was de komeet door de zwaartekracht van Jupiter uit elkaar getrokken, tot een lange sliert van zestien kleinere komeetjes. Deze sloegen één voor één in op de reuzenplaneet.

De komeet Shoemaker-Levy 9, nadat ze was uiteengerukt door de gravitatiekrachten van Jupiter.

De inslag van Shoemaker-Levy 9 is van belang omdat hij veel gelijkenis vertoont met het kosmische bombardement dat ons zonnestelsel teisterde in het begin van zijn bestaan. Bij de inslag van het grootste brokstuk, op 21 juli 1994, kreeg Jupiter een klap van 250 000 megaton TNT te verduren.

Vanop aarde kregen we van de inslagen zelf niets te zien: ze gebeurden namelijk op de achterkant van de planeet. Gelukkig duurde het maar drie kwartier voor we de plek van de inslag te zien kregen: de inslagen gebeurden vlak bij de ochtendlijn, en de inslaggebieden schoven dus kort daarna naar de voorkant van de Jupiterschijf.
Na de inslag van de eerste brokstukken toonde de Hubble Space Telescope een zwarte vlek met een diameter van 6 000 km, half zo groot als de aarde dus.
Er ontstonden echter geen grote draaikolken, en dus ook geen nieuwe "Grote Rode Vlek", zoals sommigen hadden gedacht. De explosie zorgde wel voor een enorme plotse warmteontwikkeling.
Op infraroodfoto's was een vuurzuil te zien die heter was dan het vulkanische maantje Io. Ook werd op 19 juli, bij de inslag van brokstuk K, een opstoot van röntgenstralen gemeten. De straling hield drie minuten aan, en werd mogelijk veroorzaakt door de verstoring van het magnetische veld van Jupiter door het brokstuk.

De littekens op Jupiter bleven een tweetal jaar bestaan, in de vorm van wervelingen in de atmosfeer en donkere plekjes waar gaten in de wolken waren geslagen. Intussen is Jupiter echter geheel hersteld.

Enkele sporen, nagelaten door de impact van brokken van de komeet Shoemaker-Levy 9 op Jupiter.

Ruimtesondes bij Jupiter

Pioneer 10 en 11
De ruimtesondes Pioneer 10 en 11, gelanceerd in 1972 en 1973, waren de eerste tuigen om het binnenste zonnestelsel te verlaten en door de planetoïdengordel te varen. Pioneer 10 was het eerste ruimtetuig dat close-ups van Jupiter naar de aarde stuurde. De sonde passeerde de planeet op een afstand van 130 000 km van de wolkentoppen. Pioneer 11 passeerde zelfs op 43 000 km.

Voyager 1 en 2
De twee Voyager-ruimtetuigen werden in 1977 gelanceerd en hadden de vier gasplaneten als doel. In 1979 kwamen ze voorbij Jupiter, waar ze foto's van het oppervlak namen die de foto's die vanop aarde waren genomen fel overtroffen. Samen namen de Voyagers meer dan 33 000 foto's van Jupiter en zijn maantjes. Op die foto's werden onder meer het vulkanisme op Io en het dunne ringenstelsel van Jupiter ontdekt.

"Toevallige" voorbijgangers
Menig interplanetair ruimtetuig gebruikt de zwaartekracht van Jupiter om snelheid te winnen. Zo hebben ze minder brandstof nodig om op hun bestemming te geraken. Jupiter gaf onder andere Ulysses, Magellan en Cassini een duwtje naar respectievelijk de zon, Venus en Saturnus.

De Galileosonde
In 1995 kwam de Galileosonde aan bij Jupiter. Na een passage van Europa en Io scheerde de sonde boven de wolkentoppen van de gasreus op 215 000 km hoogte en werd ze in een baan om de planeet geplaatst.