Галилеевы спутники ( / ˌ ɡ æ l ɪ ˈ l eɪ . ə n / ), [1] или галилеевы спутники — четыре крупнейших спутника Юпитера : Ио , Европа , Ганимед и Каллисто . Они являются наиболее легко видимыми объектами Солнечной системы после Сатурна , самой тусклой из классических планет ; хотя их близость к яркому Юпитеру делает наблюдение невооруженным глазом очень трудным, их легко увидеть в обычный бинокль , даже в условиях сильного светового загрязнения ночного неба . Изобретение телескопа позволило открыть спутники в 1610 году. Благодаря этому они стали первыми объектами Солнечной системы, обнаруженными с тех пор, как люди начали отслеживать классические планеты, и первыми объектами, которые были обнаружены на орбите любой планеты за пределами Земли.
Они являются лунами планетарной массы и одними из крупнейших объектов в Солнечной системе . Все четыре, наряду с Титаном , Тритоном и Луной Земли , больше любой из карликовых планет Солнечной системы . Самая большая, Ганимед, является самой большой луной в Солнечной системе и превосходит планету Меркурий по размеру (но не по массе). Каллисто лишь немного меньше Меркурия по размеру; меньшие, Ио и Европа, примерно такого же размера, как Луна. Три внутренних луны — Ио, Европа и Ганимед — находятся в орбитальном резонансе 4:2:1 друг с другом. В то время как галилеевы луны имеют сферическую форму, все остальные луны Юпитера имеют неправильную форму, потому что они слишком малы для того, чтобы их собственная гравитация могла притянуть их в сферы.
Галилеевы спутники названы в честь Галилео Галилея , который наблюдал их либо в декабре 1609, либо в январе 1610 года и признал их спутниками Юпитера в марте 1610 года; [2] они оставались единственными известными спутниками Юпитера до открытия пятого по величине спутника Юпитера Амальтеи в 1892 году. [3] Первоначально Галилей назвал свое открытие Cosmica Sidera (« звезды Козимо ») или звездами Медичи , но названия, которые в конечном итоге стали преобладать, были выбраны Симоном Мариусом . Мариус открыл луны независимо друг от друга почти в то же время, что и Галилей, 8 января 1610 года, и дал им их нынешние индивидуальные имена в честь мифологических персонажей, которых соблазнил или похитил Зевс , которые были предложены Иоганном Кеплером в его Mundus Jovialis , опубликованном в 1614 году. [4] Их открытие показало важность телескопа как инструмента для астрономов, доказав, что в космосе есть объекты, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. Открытие небесных тел, вращающихся вокруг чего-то, кроме Земли, нанесло серьезный удар по тогдашней принятой (среди образованных европейцев) системе мира Птолемея , геоцентрической теории, в которой все вращается вокруг Земли.
В результате усовершенствований , которые Галилео Галилей внес в телескоп , с 20-кратным увеличением [5], он смог видеть небесные тела более отчетливо, чем это было возможно ранее. Это позволило Галилею наблюдать в декабре 1609 или январе 1610 то, что стало известно как галилеевы луны. [6] [7]
7 января 1610 года Галилей написал письмо, содержащее первое упоминание о лунах Юпитера. В то время он видел только три из них и считал их неподвижными звездами около Юпитера. Он продолжал наблюдать эти небесные тела с 8 января по 2 марта 1610 года. В ходе этих наблюдений он открыл четвертое тело, а также заметил, что четыре не были неподвижными звездами, а вращались вокруг Юпитера. [6]
Открытие Галилея доказало важность телескопа как инструмента для астрономов, показав, что в космосе есть объекты, которые можно обнаружить и которые до этого оставались невидимыми невооруженным глазом. Что еще важнее, открытие небесных тел, вращающихся вокруг чего-то, кроме Земли, нанесло удар по принятой тогда системе мира Птолемея , которая считала, что Земля находится в центре Вселенной, а все остальные небесные тела вращаются вокруг нее. [8] В сочинении Галилея от 13 марта 1610 года «Sidereus Nuncius» ( «Звездный вестник» ), в котором сообщалось о небесных наблюдениях с помощью его телескопа, явно не упоминается гелиоцентризм Коперника — теория, которая помещала Солнце в центр Вселенной. Тем не менее, Галилей принял теорию Коперника. [6]
Китайский историк астрономии Си Цзэцзун утверждал, что «маленькая красноватая звезда», которую наблюдал около Юпитера в 364 г. до н. э. китайский астроном Гань Де , возможно, была Ганимедом. Если это правда, то это может предшествовать открытию Галилея примерно на два тысячелетия. [9]
Наблюдения Симона Мариуса являются еще одним известным примером наблюдений, и позднее он сообщил о наблюдении лун в 1609 году. [10] Однако, поскольку он не опубликовал эти результаты до Галилея, существует некоторая степень неопределенности в его записях. [10]
В 1605 году Галилей был нанят в качестве репетитора по математике для Козимо Медичи . В 1609 году Козимо стал великим герцогом Козимо II Тосканским . Галилей, ища покровительства у своего теперь уже богатого бывшего ученика и его могущественной семьи, использовал открытие спутников Юпитера, чтобы получить его. [6] 13 февраля 1610 года Галилей написал секретарю великого герцога:
«Бог благословил меня, дав мне возможность посредством столь необычного знака открыть моему Господу мою преданность и желание, чтобы его славное имя жило наравне со звездами, и поскольку мне, первому открывателю, предстоит дать имена этим новым планетам, я желаю, подражая великим мудрецам, которые поместили самых выдающихся героев той эпохи среди звезд, начертать на них имя Светлейшего Великого Герцога». [6]
Первоначально Галилей назвал свое открытие Cosmica Sidera («Звезды Козимо»), в честь одного Козимо. [a] Секретарь Козимо предложил изменить название на Medicea Sidera (« Звезды Медичи »), в честь всех четырех братьев Медичи (Козимо, Франческо, Карло и Лоренцо). [6] Об открытии было объявлено в Sidereus Nuncius («Звездный вестник»), опубликованном в Венеции в марте 1610 года, менее чем через два месяца после первых наблюдений.
12 марта 1610 года Галилей написал свое дарственное письмо герцогу Тосканскому, а на следующий день отправил копию великому герцогу, надеясь получить поддержку великого герцога как можно скорее. 19 марта он отправил телескоп, который он использовал для первого наблюдения за лунами Юпитера, великому герцогу вместе с официальной копией Sidereus Nuncius ( Звездный вестник ), который, следуя совету секретаря, назвал четыре луны звездами Медичи. [6] В своем дарственном введении Галилей писал:
Едва бессмертные благодати вашей души начали сиять на земле, как яркие звезды предлагают себя на небесах, которые, подобно языкам, будут говорить о ваших самых превосходных добродетелях и восхвалять их на все времена. Узрите же четыре звезды, зарезервированные для вашего славного имени... которые... совершают свои путешествия и орбиты с изумительной скоростью вокруг звезды Юпитер... как дети одной семьи... Действительно, кажется, сам Создатель Звезд, ясными аргументами, увещевал меня называть эти новые планеты славным именем Вашего Высочества прежде всех других. [6]
Среди других выдвинутых имен:
Названия, которые в конечном итоге возобладали, были выбраны Симоном Марием , который открыл луны независимо в то же время, что и Галилей: он назвал их по предложению Иоганна Кеплера в честь возлюбленных бога Зевса (греческого эквивалента Юпитера) в его труде Mundus Jovialis , опубликованном в 1614 году: [13]
Юпитер часто порицается поэтами за его нерегулярные любовные связи. Три девушки особенно упоминаются как те, за которыми Юпитер тайно ухаживал с успехом. Ио, дочь реки Инах, Каллисто из Ликаона, Европа из Агенора. Затем был Ганимед, прекрасный сын царя Троса, которого Юпитер, приняв облик орла, перенес на небеса на своей спине, как сказочно рассказывают поэты... Поэтому я думаю, что не ошибусь, если Первую назову Ио, Вторую — Европой, Третью, из-за ее величия света, Ганимедом, Четвертую — Каллисто... Эта фантазия и данные конкретные названия были предложены мне Кеплером, императорским астрономом, когда мы встретились на ярмарке в Ратисбоне в октябре 1613 года. Поэтому, если в качестве шутки и в память о нашей дружбе, начавшейся тогда, я приветствую его как общего отца этих четырех звезд, я снова не ошибусь.
Галилей упорно отказывался использовать имена Мария и в результате изобрел схему нумерации, которая используется и по сей день, параллельно с именами собственных лун. Номера идут от Юпитера наружу, таким образом, I, II, III и IV для Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто соответственно. [14] Галилей использовал эту систему в своих записных книжках, но никогда не публиковал ее. [13] Пронумерованные имена (Юпитер x ) использовались до середины 20-го века, когда были открыты другие внутренние луны, и имена Мария стали широко использоваться. [14]
Открытие Галилея имело практическое применение. Для безопасной навигации требовалось точно определять положение судна в море. В то время как широту можно было достаточно точно измерить с помощью местных астрономических наблюдений, определение долготы требовало знания времени каждого наблюдения, синхронизированного со временем на опорной долготе. Проблема долготы была настолько важна, что за ее решение в разное время предлагались крупные призы Испанией, Голландией и Британией.
Галилей предложил определять долготу на основе времени орбит галилеевых лун. [16] Время затмений лун можно было точно рассчитать заранее и сравнить с местными наблюдениями на суше или на корабле, чтобы определить местное время и, следовательно, долготу. Галилей подал заявку в 1616 году на испанскую премию в размере 6000 золотых дукатов с пожизненной пенсией в размере 2000 в год, а почти два десятилетия спустя на голландскую премию, но к тому времени он уже находился под домашним арестом за возможную ересь . [17] : 15–16
Основная проблема с техникой наблюдения за лунами Юпитера заключалась в том, что было трудно наблюдать за галилеевыми лунами через телескоп на движущемся корабле, проблема, которую Галилей пытался решить с помощью изобретения целатона . Другие предлагали усовершенствования, но безуспешно. [15]
Картографические съемки земли имели ту же проблему определения долготы, хотя и с менее суровыми условиями наблюдения. Метод оказался практичным и был использован Джованни Доменико Кассини и Жаном Пикаром для повторного картографирования Франции . [18]
Некоторые модели предсказывают, что в ранней истории Юпитера могло быть несколько поколений галилеевых спутников. Каждое поколение образовавшихся лун должно было входить в Юпитер по спирали и разрушаться из-за приливных взаимодействий с протоспутниковым диском Юпитера , а из оставшихся обломков формировались новые луны. К тому времени, как сформировалось нынешнее поколение, газ в протоспутниковом диске истончился до такой степени, что он больше не оказывал значительного влияния на орбиты лун. [19] [20]
Другие модели предполагают, что галилеевы спутники образовались в протоспутниковом диске, в котором временные масштабы формирования были сопоставимы или короче временных масштабов орбитальной миграции. [21] Ио безводный и, вероятно, имеет внутреннюю часть из камня и металла. [19] Считается, что Европа содержит 8% льда и воды по массе, а остальное — камни. [19] Эти луны, в порядке увеличения расстояния от Юпитера:
Ио (Юпитер I) — самая внутренняя из четырёх галилеевых лун Юпитера; с диаметром 3642 километра это четвёртая по величине луна в Солнечной системе, и лишь незначительно больше земной луны . Она была названа в честь Ио , жрицы Геры , которая стала одной из возлюбленных Зевса . До середины 20-го века её называли «Юпитером I» или «первым спутником Юпитера». [14]
С более чем 400 действующими вулканами Ио является самым геологически активным объектом в Солнечной системе. [25] Его поверхность усеяна более чем 100 горами, некоторые из которых выше земной горы Эверест . [26] В отличие от большинства спутников во внешней Солнечной системе (которые имеют толстый слой льда), Ио в основном состоит из силикатной породы, окружающей расплавленное железо или ядро из сульфида железа. [27]
Хотя это и не доказано, данные с орбитального аппарата «Галилео» указывают на то, что у Ио может быть собственное магнитное поле. [28] У Ио чрезвычайно тонкая атмосфера, состоящая в основном из диоксида серы (SO2 ) . [29] Если в будущем на Ио приземлится судно для сбора данных или сбора данных, оно должно быть чрезвычайно прочным (похожим на танкообразные корпуса советских посадочных модулей «Венера» ), чтобы выдержать радиацию и магнитные поля, исходящие от Юпитера. [30]
Европа (Юпитер II), вторая из четырех галилеевых лун, вторая по близости к Юпитеру и самая маленькая, ее диаметр составляет 3121,6 км, что немного меньше диаметра Луны Земли . Название происходит от мифической финикийской дворянки Европы , за которой ухаживал Зевс и которая стала царицей Крита , хотя это имя не стало широко использоваться до середины 20-го века. [14]
У него гладкая и яркая поверхность, [31] со слоем воды, окружающей мантию планеты, предположительно толщиной в 100 километров. [32] Гладкая поверхность включает слой льда, в то время как нижняя часть льда, как предполагается, представляет собой жидкую воду. [33] Очевидная молодость и гладкость поверхности привели к гипотезе о том, что под ней существует водный океан, который, предположительно, мог бы служить обителью для внеземной жизни . [34] Тепловая энергия от приливного изгиба обеспечивает то, что океан остается жидким, и стимулирует геологическую активность. [35] Жизнь может существовать в подольдовом океане Европы. Пока нет никаких доказательств того, что жизнь существует на Европе, но вероятное присутствие жидкой воды подстегнуло призывы отправить туда зонд. [36]
Выдающиеся отметины, пересекающие луну, по-видимому, в основном являются альбедо-особенностями , которые подчеркивают низкий рельеф. На Европе мало кратеров , поскольку ее поверхность тектонически активна и молода. [38] Некоторые теории предполагают, что гравитация Юпитера вызывает эти отметины, поскольку одна сторона Европы постоянно обращена к Юпитеру. Извержения вулканической воды, раскалывающие поверхность Европы, и даже гейзеры также рассматривались в качестве причин. Красновато-коричневый цвет отметин, как предполагается, вызван серой, но поскольку на Европу не было отправлено никаких устройств для сбора данных, ученые пока не могут это подтвердить. [39] Европа в основном состоит из силикатных пород и, вероятно, имеет железное ядро. У нее разреженная атмосфера, состоящая в основном из кислорода . [40]
Ганимед (Юпитер III), третий галилеев спутник, назван в честь мифологического Ганимеда , виночерпия греческих богов и возлюбленного Зевса . [41] Ганимед является крупнейшим естественным спутником в Солнечной системе с диаметром 5262,4 километра, что делает его больше планеты Меркурий — хотя только примерно в два раза его массы [42], поскольку Ганимед — ледяной мир. Это единственный спутник в Солнечной системе, который, как известно, обладает магнитосферой , вероятно, созданной посредством конвекции внутри жидкого железного ядра. [43]
Ганимед в основном состоит из силикатных пород и водяного льда, и считается, что океан с соленой водой существует почти в 200 км под поверхностью Ганимеда, зажатый между слоями льда. [44] Металлическое ядро Ганимеда предполагает более высокую температуру в какой-то момент в его прошлом, чем предполагалось ранее. Поверхность представляет собой смесь двух типов рельефа — сильно кратерированные темные области и более молодые, но все еще древние области с большим количеством борозд и хребтов. Ганимед имеет большое количество кратеров, но многие из них исчезли или едва видны из-за его ледяной корки, образующейся над ними. Спутник имеет тонкую кислородную атмосферу , которая включает O, O 2 и, возможно, O 3 ( озон ), а также некоторое количество атомарного водорода . [45] [46]
Каллисто (Юпитер IV) — четвёртый и последний галилеев спутник, второй по величине из четырёх, диаметром 4820,6 км, третий по величине спутник в Солнечной системе, и едва меньше Меркурия, хотя его масса составляет всего треть. Он назван в честь греческой мифологической нимфы Каллисто , возлюбленной Зевса, дочери аркадского царя Ликаона и спутницы богини Артемиды по охоте. Луна не является частью орбитального резонанса , который влияет на три внутренних галилеевых спутника, и, таким образом, не испытывает заметного приливного нагрева . [47] Каллисто состоит примерно из равного количества камней и льдов , что делает его наименее плотным из галилеевых спутников. Это один из самых сильно кратерированных спутников в Солнечной системе, и одной из его главных особенностей является бассейн шириной около 3000 км, называемый Валгалла . [48]
Каллисто окружен чрезвычайно тонкой атмосферой, состоящей из углекислого газа [49] и, вероятно, молекулярного кислорода . [50] Исследования показали, что Каллисто, возможно, имеет подповерхностный океан жидкой воды на глубине менее 300 километров. [51] Вероятное наличие океана внутри Каллисто указывает на то, что он может или могла бы быть пристанищем для жизни . Однако это менее вероятно, чем на близлежащей Европе . [52] Каллисто долгое время считался наиболее подходящим местом для человеческой базы для будущего исследования системы Юпитера, поскольку он находится дальше всего от интенсивного излучения магнитного поля Юпитера. [53]
Флуктуации орбит лун указывают на то, что их средняя плотность уменьшается с расстоянием от Юпитера. Каллисто, самая внешняя и наименее плотная из четырех лун, имеет плотность, промежуточную между льдом и камнем, тогда как Ио, самая внутренняя и самая плотная луна, имеет плотность, промежуточную между камнем и железом. Каллисто имеет древнюю, сильно кратерированную и неизмененную ледяную поверхность, и способ ее вращения указывает на то, что ее плотность распределена равномерно, что предполагает, что у нее нет каменистого или металлического ядра, а она состоит из однородной смеси камня и льда. Это вполне могло быть изначальной структурой всех лун. Вращение трех внутренних лун, напротив, указывает на дифференциацию их недр с более плотной материей в ядре и более легкой материей над ним. Они также показывают значительные изменения поверхности. Ганимед показывает прошлое тектоническое движение ледяной поверхности, которое потребовало частичного таяния подповерхностных слоев. Европа показывает более динамичное и недавнее движение такого рода, что предполагает более тонкую ледяную корку. Наконец, Ио, самая внутренняя луна, имеет серную поверхность, активный вулканизм и никаких признаков льда. Все эти данные говорят о том, что чем ближе луна к Юпитеру, тем горячее ее недра. Текущая модель заключается в том, что луны испытывают приливной нагрев в результате гравитационного поля Юпитера обратно пропорционально квадрату их расстояния от гигантской планеты. Во всех, кроме Каллисто, это растопило внутренний лед, позволив камням и железу опуститься внутрь, а воде покрыть поверхность. На Ганимеде затем образовалась толстая и прочная ледяная корка. На более теплой Европе образовалась более тонкая, более легко разрушаемая корка. На Ио нагрев настолько экстремальный, что все камни растаяли, а вода давно выкипела в космос.
Считается, что постоянные спутники Юпитера образовались из околопланетного диска, кольца аккрецирующего газа и твердых обломков, аналогичного протопланетному диску . [55] [56] Они могут быть остатками десятков спутников с галилеевой массой, которые образовались в начале истории Юпитера. [20] [55]
Моделирование показывает, что, хотя диск имел относительно большую массу в любой момент времени, со временем значительная часть (несколько десятых процента) массы Юпитера, захваченной из солнечной туманности, была обработана через него. Однако для объяснения существующих спутников требуется масса диска всего в 2% от массы Юпитера. [55] Таким образом, в ранней истории Юпитера могло быть несколько поколений спутников с галилеевой массой. Каждое поколение лун должно было спирально входить в Юпитер из-за сопротивления диска, а затем из новых обломков, захваченных из солнечной туманности, формировались новые луны. [55] К тому времени, когда сформировалось нынешнее (возможно, пятое) поколение, диск истончился до такой степени, что он больше не сильно мешал орбитам лун. [20] Нынешние галилеевы луны все еще были затронуты, попав в орбитальный резонанс , который все еще существует для Ио, Европы и Ганимеда, и частично защищены им . Большая масса Ганимеда означает, что он мигрировал внутрь с большей скоростью, чем Европа или Ио. [55] Приливное рассеяние в системе Юпитера все еще продолжается, и Каллисто , вероятно, будет захвачен резонансом примерно через 1,5 миллиарда лет, создав цепочку 1:2:4:8. [57]
Все четыре галилеевых спутника достаточно яркие, чтобы их можно было наблюдать с Земли без телескопа , если бы они только могли казаться дальше от Юпитера. (Однако их легко различить даже с помощью маломощного бинокля .) Они имеют видимые величины от 4,6 до 5,6, когда Юпитер находится в противостоянии с Солнцем, [58] и примерно на одну единицу величины тусклее, когда Юпитер находится в соединении . Основная трудность в наблюдении спутников с Земли заключается в их близости к Юпитеру, поскольку они затеняются его яркостью. [59] Максимальные угловые разделения спутников составляют от 2 до 10 угловых минут от Юпитера, [60] что близко к пределу остроты зрения человека . Ганимед и Каллисто, при их максимальном разделении, являются наиболее вероятными целями для потенциального наблюдения невооруженным глазом. [61]
GIF-анимации, иллюстрирующие галилеевы орбиты спутников и резонанс Ио, Европы и Ганимеда
В седьмой день января настоящего дня 1610 года....
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )