Ганимед (спутник)
Ганимед (англ. Ganymede, др.-греч. Γανυμήδης) — 7-й спутник планеты Юпитер, крупнейший спутник в Солнечной системе.
Общие сведения[править]
Относится к группе так называемых Галилеевых спутников — 4 крупнейших спутников Юпитера (всего у Юпитера не менее 69 спутников) — Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто (в порядке удаления от Юпитера). Совершая облёт орбиты Юпитера за 7 дней и 3 часа, Ганимед участвует в орбитальном резонансе 1:2:4 с Европой и Ио — на каждый оборот Ганимеда вокруг Юпитера приходится 2 оборота Европы и 4 оборота Ио.
Расположен на расстоянии 1 070 400 км от Юпитера.
Диаметр составляет 5268 км (41 % от диаметра Земли, на 2 % больше, чем у Титана, и на 8 % больше, чем у планеты Меркурий, правда, при этом масса Ганимеда составляет всего 45 % массы Меркурия). Ганимед на 9 % больше Каллисто, на 45 % больше Ио и на 51 % больше Луны.
Объём — 7,6 х 1010 км3 (0,0704 земного).
Масса Ганимеда составляет 1,4819 х 1023 кг (0,025 земной), что делает его самым массивным спутником, например Ганимед превышает по массе в 2,02 раза Луну. Масса Ганимеда на 10 % больше, чем у Титана, на 38 % больше, чем у Каллисто и на 66 % больше, чем у Ио.
Средняя плотность — 1,936 г/см.
Ускорение свободного падения на экваторе — 1,428 м/с2 (0,146 g, примерно в 6,9 раза меньше, чем на Земле).
Наклонение — 0,20° (к экватору Юпитера).
Альбедо — 0,43 ± 0,02.
Температура поверхности колеблется от 70 K до152 K. В приэкваториальных широтах Ганимеда после полудня температура поднимается до 160 К (-113°С), опускается до 120 К на закате и быстро падает после заката Солнца до 85—90 К. На полюсах, где Солнце стоит низко над горизонтом, даже дневные температуры не поднимаются выше 120 К.
И день, и ночь на Ганимеде длятся по 3,6 земных суток.
Поверхность спутника представляет из себя смесь двух типов рельефов (в примерно равных пропорциях): очень старые сильно изрытые кратерами темные участки, и более молодые и более светлые регионы с обширными массивами каналов и горных хребтов. Их происхождение имеет тектоническую природу.
Тёмные участки поверхности Ганимеда занимают примерно 1/3 всей площади и содержат глины и органические вещества, что может отображать состав планетезималей, из которых образовались спутники Юпитера.
На Ганимеде довольно много ударных кратеров.
Имеются полярные шапки, вероятно состоящие из водяного инея. Они покрывают широты выше 40°.
Треть поверхности Ганимеда занимают тёмные области, испещрённые ударными кратерами. Их возраст доходит до 4 миллиардов лет (по другой версии, «плотность кратеров на поверхности позволяет оценить возраст — от 3 до 3,5 миллиардов лет, что похоже на возраст Луны»[1]).
Сформировался, как полагают, из аккреционного диска или газопылевой туманности, окружавшей Юпитер некоторое время после его образования.
Внутреннее строение Ганимеда[править]
Спутник состоит из примерно равного количества силикатных пород и водяного льда. Ганимед — полностью дифференцированное тело с жидким ядром, богатым железом. Вероятно, в его недрах на глубине около 200 км между слоями льда находится океан жидкой воды.
Как полагают, состоит из трёх слоёв: расплавленного ядра из железа или сульфида железа, силикатной мантии и внешнего слоя льда толщиной 900−950 км. В пользу этой модели свидетельствует малый момент инерции, измеренный во время облета Ганимеда «Галилео» — (0,3105 ± 0,0028)×mr2 (момент инерции однородного шара равен 0,4×mr2, а меньшее значение коэффициента в этой формуле говорит о том, что плотность растёт с глубиной). У Ганимеда этот коэффициент самый низкий среди твёрдых тел Солнечной системы, что говорит о ярко выраженной расслоенности его недр.
Толщина различных слоёв в недрах спутника зависит от принятого значения состава силикатов (доли оливина и пироксенов), и от количества серы в ядре. Наиболее вероятное значение радиуса ядра — 700−900 км, а толщины внешней ледяной мантии — 800−1000 км. Остаток радиуса приходится на силикатную мантию.
Ядро спутника после формирования сохранило большую часть тепла, накопленного в период аккреции и дифференцирования. Оно медленно отдаёт это тепло ледяной мантии, работая как своеобразная тепловая батарея. Мантия переносит это тепло на поверхность конвекцией. Распад радиоактивных элементов в ядре продолжил его разогревать, вызывая дальнейшую дифференциацию: были сформированы внутреннее ядро из железа и сульфида железа и силикатная мантия. Так спутник стал полностью дифференцированным телом. Ганимед и сейчас продолжает медленно охлаждаться. Тепло, идущее от ядра и силикатной мантии, позволяет существовать подземному океану, а медленное охлаждение жидкого ядра из Fe и FeS вызывает конвекцию и поддерживает генерацию магнитного поля.
Плотность ядра — около 5,5−6 г/см3, а силикатной мантии — 3,4−3,6 г/см3. Некоторые модели генерирования магнитного поля Ганимеда требуют наличия твёрдого ядра из чистого железа внутри жидкого ядра из Fe и FeS, что схоже со структурой земного ядра. Радиус этого ядра может достигать 500 км. Температура в ядре Ганимеда возможно составляет 1500−1700 К, а давление — до 10 ГПа.
Самый вероятный современный источник тепла в недрах Ганимеда — радиоактивный разогрев, который может (хотя бы частично) обеспечить существование подповерхностного водного океана.
Это единственный спутник в Солнечной системе, обладающий собственной магнитосферой. Вероятно, её создаёт конвекция в жидком ядре, богатом железом: существование расплавленного богатого железом ядра даёт естественное объяснение собственного магнитного поля Ганимеда, которое было обнаружено «Галилео». Конвекция в расплавленном железе, которое обладает высокой электропроводностью, — самое разумное объяснение происхождения магнитного поля. Небольшая магнитосфера спутника заключена в пределах намного большей магнитосферы Юпитера и лишь немного деформирует её силовые линии.
Величина магнитного момента составляет 1,3×1013 Тл·м3, в 3 раза больше, чем у Меркурия. Ось магнитного диполя наклонена на 176° по отношению к оси вращения спутника, что означает её направленность против магнитного момента Юпитера. Северный магнитный полюс спутника расположен ниже плоскости орбиты. Индукция дипольного магнитного поля, созданного постоянным магнитным моментом, на экваторе спутника равна 719 ± 2 нТл. Противоположность направлений магнитного поля спутника и Юпитера делает возможным магнитное пересоединение. Индукция собственного магнитного поля Ганимеда на его полюсах в 2 раза больше, чем на экваторе, и равна 1440 нТл.
У ганимедианской магнитосферы есть область замкнутых силовых линий, находящаяся ниже 30° широты, где заряженные частицы (электроны и ионы) оказываются в ловушке, создавая своего рода радиационный пояс. Главный вид ионов в магнитосфере — ионы кислорода O+, что согласуется с разрежённой кислородной атмосферой Ганимеда. В шапках полярных областей на широтах выше 30° силовые линии магнитного поля не замкнуты и соединяют спутник с ионосферой Юпитера. В этих областях были найдены электроны и ионы, обладающие высокой энергией (десятки и сотни килоэлектронвольт), которые и могут вызывать полярные сияния, наблюдаемые вокруг полюсов спутника. Также, тяжелые ионы непрерывно осаждаются на полярной поверхности спутника, распыляя и затемняя лёд.
В дополнение к магнитному моменту, у спутника имеется индуцированное дипольное магнитное поле, вызываемое изменением магнитного поля Юпитера вблизи Ганимеда. Индуцированный дипольный момент направлен к Юпитеру или от него (согласно с правилом Ленца). Индуцированное магнитное поле Ганимеда на порядок слабее собственного. Его индукция на магнитном экваторе — около 60 нТ (вдвое меньше, чем напряжённость поля Юпитера там же). Индуцированное магнитное поле указывает на то, что у Ганимеда имеется подповерхностный водный океан с высокой электропроводностью.
Магнитное поле Ганимеда, возможно, генерируется как результат перемещений электропроводящей материи в недрах. Если магнитное поле вызвано магнитогидродинамическим эффектом, то это, может быть, результат конвективного движения разных веществ в ядре спутника.
Вероятно, Ганимед состоит из равных частей скальных пород и воды (в основном замёрзшей). Массовая доля льда лежит в интервале 46−50 %, что немного ниже, чем у Каллисто. Во льдах могут имеется некоторые летучие газы, такие как аммиак. Состав скальных пород по-видимому близок к составу обыкновенных хондритов групп L и LL, которые отличаются от H-хондритов меньшим полным содержанием железа, меньшим содержанием металлического железа и большим — окиси железа. Соотношение масс железа и кремния на Ганимеде составляет 1,05−1,27 (у Солнца оно равно 1,8).
Так как на поверхности заметны молодые светлые области, покрытые бороздами и хребтами, предполагается, что их возникновение связано с тектонической активностью, вызванной приливным нагревом.
Водяной лёд есть практически на всей поверхности и его массовая доля колеблется в пределах 50−90 %, что существенно выше, чем на Ганимеде в целом. Обнаружены обширные абсорбционные полосы водяного льда на длинах волн 1,04, 1,25, 1,5, 2,0 и 3,0 мкм.
На поверхности обнаружены следы углекислого газа CO2, диоксида серы SO2 и, возможно, циана C2N2, серной кислоты H2SO4 и различных органических соединений. Предполагается наличие на поверхности некоторого количества толинов. Показано присутствие сульфата магния MgSO4 и, возможно, сульфата натрия Na2SO4. Эти соли могли образоваться в подземном океане.
Под поверхностью спутника судя по всему существует океан жидкой воды. Численное моделирование недр Ганимеда, выполненное в 2014 году сотрудниками Лаборатории реактивного движения NASA, показало, что этот океан, по-видимому, многослойный: жидкие слои разделены слоями льда разных типов (лёд I, III, V, VI). Число жидких прослоек, возможно, достигает 4; их солёность растёт с глубиной. Присутствие солёного океана создаёт вторичное магнитное поле. Согласно расчётам, глубина океана составляет 100 км, а сам океан находится под 150−170-километровой корой, в основном состоящей изо льда. Содержание соли, по-видимому, составляет 5 граммов на 1 литр воды при глубине в 100 км. Но, возможно, что глубина океана может быть всего 10 км, и солёность его будет в 10 раз выше[2].
Неровности (помимо ударных кратеров) на поверхности спутника являются следствием тектонических процессов. Криовулканизм играет, предположительно, второстепенную роль, если играет вообще. Силы, создавшие в литосфере спутника сильные напряжения, необходимые для тектонических подвижек, могли быть связаны с приливным разогревом в прошлом, причиной которого, возможно, были нестабильные орбитальные резонансы, через которые проходил Ганимед. Приливная деформация льдов могла разогреть недра спутника и вызвать напряжения в литосфере, что привело к появлению трещин, горстов и грабенов.
Атмосфера Ганимеда[править]
У Ганимеда есть слабая и тонкая кислородная атмосфера (экзосфера), очень похожая на найденную у Европы, в состав которой входят такие аллотропные модификации кислорода, как атомарный кислород O, кислород O2 и, вероятно, озон O3. Количество атомарного водорода H в атмосфере Ганимеда незначительно.
Нейтральная атмосфера из молекул O2 видимо находится в диапазоне 1,2х108−7х108 частиц/см3, что соответствует приповерхностному давлению в 0,2−1,2 мкП.
Этот кислород вероятно возникает когда водяной лёд на поверхности спутника разделяется на водород и кислород радиацией (водород быстрее улетучивается из-за низкой атомной массы).
В атмосфере спутника присутствует и атомарный водород, обнаруженный на расстоянии до 3000 км от поверхности. Его концентрация у поверхности — около 1,5х104 см−3.
Наличие у спутника собственной магнитосферы приводит к тому, что заряженные частицы интенсивно бомбардируют лишь слабо защищённые полярные области. Образовавшийся водяной пар осаждается преимущественно в самых холодных местах этих же областей.
Имеется ли ионосфера, неясно, хотя существование нейтральной атмосферы подразумевает и существование у Ганимеда ионосферы, так как молекулы кислорода ионизируются столкновениями с быстрыми электронами, прибывающими из магнитосферы, и солнечным жёстким ультрафиолетом.
Исследование и колонизация[править]
Открыт 7 января 1610 года Галилео Галилеем (однако, немецкий астроном Симон Марий наблюдал Ганимед ещё в 1609 году, но не опубликовал об этом сообщение; тот же Симон Марий в 1614 году предложил назвать спутник в честь мифического виночерпия Ганимеда).
В 1972 году группа индийских, английских и американских астрономов, работая в индонезийской обсерватории имени Боссы, сообщила об обнаружении у Ганимеда тонкой атмосферы.
Первые фотографии Ганимеда из космоса были сделаны американскими КА «Пионером-10», пролетевшим мимо Юпитера в декабре 1973 года, и «Пионером-11», пролетевшим в 1974 году. С их помощью им были получены более точные сведения о физических характеристиках спутника (к примеру, «Пионер-10» уточнил его размеры и плотность).
В 1979 году мимо спутника прошли американские космические аппараты «Вояджер-1» (в марте) на расстоянии 112 тысяч км и «Вояджер-2» (в июле) на расстоянии 50 тысяч км. Эти КА передали качественные снимки поверхности Ганимеда и провели несколько измерений. Например, уточнили размер спутника, оказалось, что Ганимед — самый большой спутник в Солнечной системе (ранее самым большим считался Титан).
С декабря 1995 года по сентябрь 2003 года систему Юпитера изучал американский КА «Галилео», и за это время 6 раз сближался с Ганимедом. В ходе самого близкого полета «Галилео» прошел в 264 км от поверхности спутника и передал о нём массу сведений, включая подробные фотографии. В 1996 году «Галилео» открыл у Ганимеда магнитосферу, а в 2001 году — подземный океан. Удалось построить относительно точную модель внутреннего строения Ганимеда. Кроме того, «Галилео» передал большое число спектров и обнаружил на поверхности Ганимеда несколько неледяных веществ.
В 2007 году американский КА «Новые горизонты» на пути к Плутону прислал фотографии Ганимеда в видимом и инфракрасном диапазонах, и предоставил топографические сведения и карту состава спутника.
Также, Ганимед изучается с помощью телескопов, в том числе космического телескопа «Хаббл».
2 мая 2012 года Европейское космическое агентство объявило о старте миссии Jupiter Icy Moons Explorer в 2022 году с прибытием в систему Юпитера в 2030 году. Одной из главных целей миссии будет исследование Ганимеда, которое начнется в 2033 году. На 2020 год запланирована миссия Europa Jupiter System Mission, составной частью которой, как сообщается, будет российский посадочный модуль «Лаплас». РФ, посредством привлечения Европейского космического агентства, намерена отправить на Ганимед посадочный аппарат «Лаплас-П» для поиска признаков жизни и для проведения комплексных исследований системы Юпитера в качестве характерного представителя газовых гигантов. По другим расчетам, солёный океан находится либо на глубине между 150 и 250 км, либо на 330 км ниже поверхности Ганимеда. Неопределенность вызвана тем, что океан располагается между слоями льда.
В пользу гипотетической колонизации в будущем спутника указывают на такие факты, как то, что Ганимед — самый большой спутник в Солнечной системе со сравнительно высокой гравитацией, и единственный спутник Юпитера, обладающий магнитосферой, способной защитить потенциальных колонизаторов от губительного воздействия радиации. Ганимед получает около 8 бэр излучения в день — почти в 7 и в 400 раз меньше чем в случае с Европой и Ио соответственно, но это все ещё высокий показатель для человека, который, возможно, сможет найти на спутнике источник воды и энергии, а также материал для строительства:
- Распространенность водяного льда означает, что колонисты смогут самостоятельно производить кислород и питьевую воду, а также будут иметь возможность синтезировать ракетное топливо. Как и в случае с Европой, это может быть достигнуто путем нагревания поверхности с помощью различных средств, например, бомбардировки кометами, что приведет к сублимации льда, а затем посредствам радиолиза, к образованию кислорода. Вероятно в итоге такого нагрева появится мировой океан, который будет в несколько раз глубже земного.
- В результате деформации мантии спутника, вызванной приливными силами Юпитера, океан вероятнее всего не будет замерзать. Энергия поступающая в воду через гидротермальные жерла обеспечит необходимое тепло и энергию для поддержания жизни. В сочетании с насыщенной кислородом водой, определенные формы жизни (экстремофилы) смогут существовать на границе ядра и мантии[3].
Таким образом, Ганимед может стать базой для учёных для изучения Юпитера и его спутников, и, возможно, для дальнейшего освоения более отдалённых от Земли объектов Солнечной системы. Нельзя исключать и возникновение добывающей промышленности.
Теоретически, на поверхности спутника может быть использован колесный и гусеничный транспорт для горнодобывающей и строительной техники, и рельсовый электротранспорт. Ввиду относительно невысокой гравитации может быть использован и реактивный способ передвижения для переброски каких-либо грузов.
Гравитация Ганимеда возможно позволит удерживать искусственно созданную атмосферу, состоящую из плотных газов.
Гипотетическая жизнь[править]
Подповерхностный океан Ганимеда заморожен неравномерно: слои льда чередуются со слоями воды, которая остаётся в жидком виде благодаря большому количеству солей. Учёные НАСА в 2014 году предположили, что эта вода может опускаться на дно и контактировать со скальными породами, а это, в свою очередь, создает важные условия для существования жизни (на Ганимеде имеется тектоническая активность, вызванная приливным нагревом)[4].
Правда, доказательств гидротермальной активности на дне подповерхностного океана Ганимеда не имеется (есть даже свидетельства отсутствия на Ганимеде термальных источников, которые могли бы служить основными источниками энергии для живых организмов в условиях очевидной невозможности на Ганимеде фотосинтеза из-за низких температур на поверхности и удалённости от Солнца). Температура этого океана довольно низка и составляет −68°C (оценочно), однако вода не замерзает из-за высокого давления внутри коры[5].
Ганимед обладает собственным магнитным полем, важным для живых организмов.
На Ганимеде наблюдается некоторая активность, например криовулканизм, что указывает на химическую активность под поверхностью спутника, а это, в свою очередь, при наличии солёного океана, делает теоретически возможным зарождение микроорганизмов[6] (на практике, однако, никаких признаков и доказательств наличия жизни на Ганимеде пока не обнаружено).
См. также[править]
Источники[править]
 ↑ [+] | |
|---|---|
| более 4000 км | |
| 2000—4000 км | |
| 1000—2000 км | |
| 500—1000 км | |
| 250—500 км | |
| 100—250 км |
Феба • Ларисса • Янус • Галатея • Намака • Амальтея • Пак • Сикоракса • Порция • Форкий • Вант • Зоя • Тавискарон • S/2015 (136472) 1 • S/2010 (225088) 1 • Эпиметей |
| 50—100 км | |
| По планетам (и карликовым) |
Меркурия • Венеры • Земли (Луна) • Марса • Астероидов • Юпитера • Сатурна • Урана • Нептуна • Плутона • Хаумеа • Макемаке • Эриды • Кандидаты: (225088) 2007 OR10 • Орка • Квавара • Прочее: Линус • Регулярный спутник • Нерегулярный спутник |