Jowisz czyli gwiazda wigilijna

Zbliżają się święta Bożego Narodzenia i tak się jakoś składa, że nawet najwięksi ateiści czy innowiercy w przeddzień tych świąt zasiadają do stołu wigilijnego. Zanim to jednak uczynią, wypatrują przez okno pierwszej gwiazdy na niebie, aby dać sygnał do wieczerzy. I tradycyjnie, większość uważając, że widzi pierwszą gwiazdę na wigilijnym niebie, jest w błędzie. Tej nocy bowiem Jowisz, największa planeta Układu Słonecznego, jest najjaśniejszym obiektem na niebie (oprócz Księżyca). Do końca stycznia Jowisza można łatwo wypatrzeć na południowym niebie, niezbyt wysoko nad horyzontem.
Jowisz jest planetą niezwykłą. Mało tego, wszystko wskazuje na to, że jest planetą bez wnętrzności czyli bez wewnętrznego, metalicznego jądra. Pewnie dlatego, że Jowisz, podobnie jak biesiadnicy przy wigilijnym stole, miał spory apetyt i skonsumował własne jądro.
Jowisz jest ogromny. Waży dwa razy więcej niż wszystkie pozostałe planety Układu Słonecznego. Jest nazywany gazowym olbrzymem, gdyż zbudowany jest głównie z wodoru i helu, które w warunkach ziemskich są gazami.
Jednak na Jowiszu na skutek olbrzymiego ciśnienia gazy te przeszły w stan płynny o cechach metalu. Do tej pory uważało się, że płynny wodór i hel otaczają jądro Jowisza zbudowane z żelaza, skał i lodu. Jądro miało być jednak niewielkie. Szacowano, że Jowisz stanowi 318 mas Ziemi, podczas gdy jądro tylko 10 mas.

Tak sobie wyobrażaliśmy wnętrze Jowisza. Widać małe, stałe jądro zbudowane z żelaza, skał i lodu. W rzeczywistości Jowisz może być w zupełności płynny wewnątrz (NASA R.J. Hall Public Domain)

Nasze wyobrażenia o wewnętrznej budowie Jowisza były jednak tylko zgrubnymi kalkulacjami. Warunki panujące we wnętrzu Jowisza są ekstremalne. Panuje tam temperatura większa niż na powierzchni Słońca (ok. 16 tys. K) i ciśnienie rzędu 40 mln atmosfer. Póki co, nie można takich warunków odtworzyć laboratoryjnie, więc posłużono się mechaniką kwantową.

W obliczeniach wzięto pod uwagę stan w jakim musiałby znajdować się główny składnik skał jądra Jowisza, czyli tlenek magnezu (MgO). Wyniki pokazały, że w takich warunkach jądro Jowisza jest płynne. Z tym, że na początku tworzenia się Jowisza jądro było stałe, a z czasem, właśnie pod wpływem rosnącej temperatury i ciśnienia, upłynniło się (Wilson & Militzer, 2011).

Wykres pokazujący pole w jakim znajduje się jądro Jowisza i Saturna (na osi pionowej temperatura, na poziomej ciśnienie) (militzer.berkeley.edu)

Pozostało pytanie, czy konwekcja w zewnętrzych warstwach płynnego wodoru i helu jest na tyle silna, że wciągnęła upłynnione jądro Jowisza do swego obiegu, czy też rozmyła się jedynie granica pomiędzy jądrem a otoczką? Być może odpowiedź przyniesie sonda NASA Juno, która za 5 lat doleci do Jowisza, aby zmierzyć jego pole grawitacyjne.
No i naturalnie, rodzi się pytanie jak to jest z jądrem w innych planetach? Być może po wstępnym etapie grawitacyjnego zbierania materii stałej w centrum planety dochodzi do tak wysokich ciśnień i temperatury, że jądra się upłynniają? I wszystkie planety konsumują swoje wnętrza? Smacznego :)

ps. 24 grudnia 2011 roku Księżyc będzie w nowiu (czyli nie będzie go widać na niebie), a o miano gwiazdy wigilijnej z Jowiszem walczyć może także Wenus, która będzie widoczna nisko nad horyzontem na wschodzie (tam skąd przyszli mędrcy). Wesołych Świąt!

Źródła:
Wilson, H., F. & Militzer, B. 2011. Rocky core solubility in Jupiter and giant exoplanets. arXiv:1111.6309v1
Ryc. w nagłówku: obraz Jana Matejki Mikołaj Kopernik Public Domain

Posted in: astronomia,modelowanie,planeta,układ słoneczny