Zdjęcie w tle: NASA/JPL-Caltech

Ganimedes to największy z satelitów Jowisza i zarazem największy księżyc w całym Układzie Słonecznym. To także jedyny znany satelita Układu z własnym polem magnetycznym. Jego masa jest dwa razy większa od masy ziemskiego Księżyca, a jego powierzchnia 2,3 razy większa. Ten niezwykły satelita swymi rozmiarami przewyższa nawet Merkurego, najmniejszą planetę w Układzie Słonecznym.

Odkrycie i pochodzenie nazwy

Ganimedes został odkryty przez Galileusza 7 stycznia 1610 roku. Skierował on na Jowisza skonstruowaną przez siebie lunetę i dostrzegł w pobliżu cztery stale zmieniające położenie obiekty. Były to największe księżyce Jowisza, później nazwane „galileuszowymi”: Io, Ganimedes, Europa i Callisto. Były to pierwsze odkryte księżyce krążące wokół innej planety niż Ziemia. Odkrycie czterech satelitów galileuszowych ostatecznie doprowadziło do zrozumienia, że planety w naszym Układzie Słonecznym krążą wokół Słońca.

Sztuczna kompilacja obrazów księżyców galileuszowych, pokazująca porównanie ich rozmiarów z rozmiarami Jowisza. Od lewej: Io, Europa, Ganimedes i Kallisto.

Niezależnie od Galileusza, Jowisza obserwował Simon Marius. Mógł on nieświadomie dostrzec księżyce nawet miesiąc wcześniej, ale Galileusz był pierwszym, który opublikował swoje odkrycie. Zaproponował nazwę Ganimedes, jednak ta przyjęła się dopiero w XX wieku. Przez poprzednie stulecia używano systemu nazewnictwa Galileusza. Pierwotnie nazwał księżyce Jowisza planetami Medyceuszy oraz odniósł się do poszczególnych księżyców numerycznie jako I, II, III i IV.

Nazwa księżyca pochodzi od Ganimedesa, kochanka boga Zeusa z mitologii greckiej. Był on synem Trosa i Kalliroe, królewiczem trojańskim, podczaszym na Olimpie, najpiękniejszym młodzieńcem, w którym zakochał się najwyższy z bogów. Został porwany na Olimp przez orła, lub samego Zeusa w postaci orła, aby tam roznosił Zeusowi i pozostałym bogom ambrozję oraz nektar. Władca Olimpu zapewnił mu wieczną młodość i nieśmiertelność.

Charakterystyka Ganimedesa

Ganimedes to największy księżyc Układu Słonecznego. Jest księżycem lodowym, złożonym w znacznym stopniu z lodu wodnego. Obserwacje Teleskopem Hubble’a wskazują na istnienie wokół Ganimedesa bardzo rozrzedzonej atmosfery, która składa się niemal w 100% z tlenu. Powstaje ona w wyniku dysocjacji lodu powierzchniowego w efekcie napromieniowania. Grawitacja księżyca nie zatrzymuje uwolnionego przy tym lotnego wodoru, pozostawiając tlen.

Atmosfera ta jest jednak zbyt cienka, aby podtrzymywać życie, jakie znamy. Oprócz tlenu i wodoru zaobserwowano w niej również śladowe ilości dwutlenku węgla i dwutlenku siarki. W ostatnim tygodniu lipca 2021 roku astronomowie z ESA wykorzystali archiwalne zbiory danych z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, aby ujawnić pierwsze dowody na istnienie pary wodnej w atmosferze Ganimedesa. Powstaje ona w wyniku sublimacji lodu na lodowej powierzchni księżyca. Temperatura na powierzchni księżyca w ciągu dnia na powierzchni wynosi średnio -113°C, a w nocy spada do -193°C.

Charakterystyczną cechą Ganimedesa jest podział jego skorupy na ciemne, stare obszary, mocno usiane kraterami oraz na nieco młodsze, jaśniejsze regiony, które odznaczają się strukturami powierzchniowymi związanymi z procesami tektonicznymi. Kratery uderzeniowe mają w większości zdegradowany kształt, a średnica wielu z nich przekracza 100 km, przy czym wokół niektórych rozrzucony jest jasny materiał, świadczący o tym, że uderzenie meteorytu wystąpiło stosunkowo niedawno w skali geologicznej. Duże kratery na Ganimedesie prawie nie mają pionowej rzeźby terenu i są dość płaskie. Wynika to prawdopodobnie z powolnego i stopniowego dostosowywania się miękkiej, lodowej powierzchni.

Wnętrze księżyca ma zróżnicowaną budowę. Małe metaliczne, żelazne jądro otoczone jest krzemianowym płaszczem, na którym spoczywają kolejne warstwy, stanowiące mieszaninę skał i lodu. Pod lodową skorupą najprawdopodobniej istnieje głęboki ocean, bądź kilka oceanów oddzielonych warstwami lodu.

Budowa wewnętrzna Ganimedesa (model z pojedynczym oceanem).

Analiza opublikowana w 2014 roku, uwzględniająca realistyczną termodynamikę wody i wpływ soli, sugeruje, że Ganimedes może mieć stos kilku warstw oceanicznych oddzielonych różnymi fazami lodu, z najniższą warstwą cieczy przylegającą do skalnego płaszcza.

W 2015 roku Kosmiczny Teleskop Hubble’a znalazł najlepszy do tej pory dowód na istnienie podziemnego oceanu słonowodnego na Ganimedesie. Uważa się, że podziemny ocean ma więcej wody niż cała woda na powierzchni Ziemi.

Powłoka lodowa na zewnątrz jest bardzo gruba i ma około 800 kilometrów grubości. Powierzchnia to sam wierzchołek skorupy lodowej. Chociaż składa się głównie z lodu, może zawierać domieszkę skał. Ganimedes posiada czapy lodowe z lodu wodnego na swoich biegunach.

Niektórzy naukowcy są jednak sceptyczni, czy Ganimedes może być miejscem odpowiednim dla rozwoju życia. Uważa się, że ze względu na swoją wewnętrzną strukturę, ciśnienie u podstawy oceanu jest tak wysokie, że jakakolwiek woda tam na dole zamieni się w lód.

Zdjęcia Ganimedesa z sondy kosmicznej pokazują, że księżyc ten ma złożoną historię geologiczną. Powierzchnia Ganimedesa to mieszanka dwóch rodzajów terenu. Czterdzieści procent powierzchni Ganimedesa pokrywają ciemne obszary pokryte kraterami, a pozostałe sześćdziesiąt procent pokrywa jasny, rowkowany teren, który tworzy skomplikowane wzory na całym Ganimedesie, które są widoczne na zdjęciach.

Magnetosfera Ganimedesa i zorze polarne

W 1996 roku, gdy sonda Galileo dotarła do Jowisza, odkryto, że jego księżyc Ganimedes posiadał własne pole magnetyczne. Było to dla naukowców zaskoczeniem, gdyż nie podejrzewano wcześniej, że księżyce mogą posiadać własne pola.

Obecność metalicznego, płynnego jądra Ganimedesa powoduje, że księżyc generuje swoje własne dipolowe pole magnetyczne, co w dużej mierze chroni go przed oddziaływaniem magnetosfery Jowisza. Jest to jedyny księżyc w Układzie Słonecznym, który wytwarza własną magnetosferę.

Szkic linii pola magnetycznego wokół Ganimedesa, które są generowane w żelaznym jądrze księżyca.

Pole magnetyczne Ganimedesa jest wytwarzane na zasadzie indukcji magnetycznej poprzez ładunki elektryczne znajdujące się w żelaznym jądrze Ganimedesa. W płynnym jądrze przepływa prąd, który wytwarza pole magnetyczne.

Kształt magnetosfery ciała niebieskiego zależy zazwyczaj od wpływu wiatru słonecznego. W przypadku Ganimedesa, który otoczony jest przez pole magnetyczne Jowisza chroniące go przed strumieniem plazmy, forma magnetosfery jest wyjątkowa –  wydłużona, skierowana wzdłuż jego orbity. Magnetosfera Ganimedesa jest całkowicie osadzona w magnetosferze Jowisza.

Pole magnetyczne księżyca jest w okolicy równikowej skierowane przeciwnie do pola planety, zatem może zachodzić rekoneksja magnetyczna — zjawisko szybkiej zmiany układu linii pola magnetycznego w poruszającym się płynie przewodzącym prąd elektryczny.

Pole magnetyczne powoduje powstanie zórz polarnych, które są wstęgami świecącego, naelektryzowanego gazu w regionach okrążających północny i południowy biegun Księżyca. Ziemskie zorze polarne powstają po tym jak ziemska magnetosfera schwyta cząstki wyemitowane przez słońce, czyli wiatr słoneczny. Źródłem wywołującym zorze na Ganimedesie nie jest jednak wiatr słoneczny, lecz skupiska plazmy otaczające Jowisza, które wpadają w magnetosferę księżyca, powodując wzbudzenia atomów w obszarze polarnym, a skutkiem tego świecenie zorzowe.

Obraz przedstawia Jowisza oraz Ganimedesa, na którym występują zorze.

Kiedy zmienia się pole magnetyczne Jowisza, zmieniają się również zorze polarne na Ganimedesie, „kołysząc się” w przód i w tył. Ganimedes ma słabe pole magnetyczne, które w dodatku podlega ogromnemu wpływowi pola Jowisza. Jowisz odchyla pole Ganimedesa, sprawiając, że zorze polarne wcale nie są polarne, czyli nie występują w pobliżu biegunów księżyca, ale znacznie bliżej równika, a w dodatku ich położenie stale się zmienia.

Eksploracja księżyca

Jak dotąd kilka statków kosmicznych przeleciało obok Jowisza i jego księżyców. Pioneer 10 pojawił się pierwszy, w 1973 roku, a następnie Pioneer 11 w 1974 roku. Także Voyager 1 i Voyager 2 (1979 rok) przesłały na Ziemię zdumiewające zdjęcia, wykonane podczas swoich przelotów.

Prawdziwy przełom w ilości danych o Ganimedesie nastąpił wraz z misją Galileo, której sonda orbituje od ponad 20 lat wokół Jowisza. Przeleciała ona wielokrotnie w niewielkiej odległości od księżyca, przesyłając zdjęcia o wysokiej rozdzielczości.

Podobnie jak Galileo, sonda Juno krąży wokół Jowisza. 25 grudnia 2019 roku Juno wykonała odległy przelot nad Ganimedesem podczas swojej 24. orbity Jowisza. Ten przelot dostarczył obrazów obszarów polarnych Księżyca. W czerwcu 2021 roku Juno wykonała drugi przelot, w mniejszej odległości 1038 kilometrów.

Zdjęcie wykonane przez instrument JunoCam.

Sonda New Horizon również obserwowała Ganimedesa, ale ze znacznie większej odległości, gdy przechodziła przez układ Jowisza w 2007 roku (w drodze do Plutona). Dane zostały wykorzystane do wykonania mapowania topograficznego i kompozycyjnego Ganimedesa.

ESA planuje misję o nazwie JUICE, która wystartuje z Ziemi w 2022 r., aby dotrzeć do Jowisza w 2030 r. Podczas gdy misja będzie dotyczyć trzech księżyców (Ganimedesa, Callisto i Europy), Ganimedes będzie w centrum uwagi, ponieważ pokazuje, jak ewoluują lodowe światy i ogólnie mogą nadawać się do zamieszkania. Naukowcy spróbują dowiedzieć się więcej o oceanie i lodowej skorupie, szczegółowo odwzorować jego powierzchnię, poznać wnętrze, zbadać atmosferę i zbadać pole magnetyczne.

Referat został wygłoszony na finale sesji referatowej Obozu Astronomicznego Almukantarat 2021.

Autor

Natalia Kowalczyk