Jupiter

Jupiter, der fünfte Planet von der Sonne, gilt als größter Himmelskörper im Sonnensystem. Als Gasriese klassifiziert, ist seine Masse etwa 2,5-mal größer als die Gesamtmasse aller anderen Planeten im Sonnensystem, macht jedoch etwas weniger als ein Tausendstel der Sonnenmasse aus. Der Durchmesser des Jupiter beträgt das 11-fache des Durchmessers der Erde und ein Zehntel des Durchmessers der Sonne. Der Planet umkreist die Sonne in einer durchschnittlichen Entfernung von 5,20 Astronomischen Einheiten (778,5 Gigametern) und vollendet eine Umlaufzeit in 11,86 Jahren. Als dritthellstes natürliches Objekt am Nachthimmel der Erde, das nur vom Mond und der Venus übertroffen wird, ist Jupiter seit prähistorischen Zeiten Gegenstand von Beobachtungen. Seine Nomenklatur geht auf Jupiter zurück, die Hauptgottheit der antiken römischen Religion.

Jupiter ist der fünfte Planet von der Sonne aus gesehen und der größte im Sonnensystem. Es handelt sich um einen Gasriesen mit einer Masse, die fast 2,5-mal so groß ist wie die aller anderen Planeten im Sonnensystem zusammen und etwas weniger als ein Tausendstel der Masse der Sonne. Sein Durchmesser beträgt das Elffache des Erddurchmessers und ein Zehntel des Sonnendurchmessers. Jupiter umkreist die Sonne in einer Entfernung von 5,20 AE (778,5 Gm) mit einer Umlaufzeit von 11,86 Jahren. Es ist nach dem Mond und der Venus das dritthellste natürliche Objekt am Nachthimmel der Erde und wird seit prähistorischen Zeiten beobachtet. Sein Name leitet sich von Jupiter ab, der Hauptgottheit der antiken römischen Religion.

Jupiters Entstehung geht der anderer Planeten im Sonnensystem voraus, und seine anschließende Einwanderung während der Urzeit hatte erheblichen Einfluss auf die Entwicklungsbahn der anderen Planetenkörper. Die Jupiteratmosphäre besteht zu 76 Masse-% aus Wasserstoff und zu 24 Masse-% aus Helium und liegt über einem dichteren Inneren. In dieser Atmosphäre sind Spuren von Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Schwefel und Neon sowie Verbindungen wie Ammoniak, Wasserdampf, Phosphin, Schwefelwasserstoff und verschiedene Kohlenwasserstoffe vorhanden. Bemerkenswert ist, dass Jupiters Heliumvorkommen etwa 80 % des Heliumgehalts der Sonne beträgt, eine Zusammensetzungseigenschaft, die sie mit Saturn teilt.

Jupiters äußere Atmosphäre ist durch eine Reihe von Breitengradbändern gekennzeichnet, an deren dynamischen Grenzen sich Turbulenzen und Stürme manifestieren; Das bekannteste Beispiel ist der Große Rote Fleck, ein riesiges Sturmsystem, das seit 1831 dokumentiert ist. Aufgrund seiner hohen Rotationsgeschwindigkeit, die etwa alle zehn Stunden eine Umdrehung durchführt, nimmt Jupiter die Form eines abgeflachten Sphäroids an, dessen Äquatorradius etwa 7 % größer ist als sein Polarradius. Es wird angenommen, dass die innere Zusammensetzung des Planeten einen äußeren Mantel aus flüssigem metallischem Wasserstoff und einen weniger definierten inneren Kern aus dichteren Substanzen umfasst. Die kontinuierliche Kontraktion im Inneren des Jupiter erzeugt eine größere Wärmeabgabe, als der Planet durch Sonnenstrahlung absorbiert. Jupiter besitzt das stärkste Magnetfeld und die zweitgrößte zusammenhängende Struktur im Sonnensystem, die durch Wirbelströme in seinem flüssigen, metallischen Wasserstoffkern erzeugt wird. Die Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind und der Magnetosphäre des Jupiter führt dazu, dass sich letztere deutlich nach außen ausdehnt und dadurch die Umlaufdynamik des Planeten beeinflusst.

Es ist bekannt, dass mindestens 101 Monde Jupiter umkreisen; Unter diesen befinden sich die vier größten – Io, Europa, Ganymed und Callisto – innerhalb der Magnetosphäre des Planeten und sind mit einem Standardfernglas erkennbar. Ganymed ist der massereichste dieser vier Planeten und übertrifft in seiner Größe den Planeten Merkur. Jupiter ist von einem subtilen System aus Planetenringen umgeben. Diese Jupiterringe bestehen hauptsächlich aus Staub und werden in drei Hauptkomponenten unterteilt: einen inneren Torus aus Partikeln, der als Halo bezeichnet wird, einen vergleichsweise leuchtenden Hauptring und einen ätherischen äußeren hauchdünnen Ring. Bei Betrachtung im sichtbaren und nahen Infrarotlicht weisen die Ringe einen rötlichen Farbton auf. Das genaue Alter dieses Ringsystems bleibt ungeklärt, obwohl es möglicherweise auf die ursprüngliche Entstehung Jupiters zurückgeht. Seit 1973 haben neun Robotersonden Missionen zum Jupiter durchgeführt, darunter sieben Vorbeiflüge und zwei spezielle Orbiter (zwei weitere sind derzeit unterwegs). Exoplaneten mit Jupiter-ähnlichen Eigenschaften wurden auch in anderen Sternsystemen identifiziert.

Nomenklatur und Symbolik

Sowohl in der antiken griechischen als auch in der römischen Zivilisation wurde der Planet nach der Hauptgottheit ihres jeweiligen Pantheons benannt: Zeus für die Griechen und Jupiter für die Römer. Die Internationale Astronomische Union genehmigte 1976 offiziell den Namen „Jupiter“ für den Planeten und benannte daraufhin seine neu identifizierten Satelliten nach den Gefährten, bevorzugten Figuren und Nachkommen der Gottheit. Das astronomische Symbol für Jupiter, , stammt von einem griechischen Zeta, modifiziert mit einem horizontalen Strich, ⟨Ƶ⟩, der als Abkürzung für Zeus dient.

Im Lateinischen stellt Iovis die Genitivform von Iuppiter dar, was Jupiter ist. Dieser Begriff ist etymologisch mit Zeus verbunden, was „Himmelsvater“ bedeutet. Das englische Gegenstück Jove erlangte etwa im 14. Jahrhundert als poetische Bezeichnung für den Planeten Verbreitung.

Die von Jupiter abgeleitete Adjektivform ist Jovian. Umgekehrt hat sich die archaische Adjektivform jovial, die von mittelalterlichen Astrologen verwendet wurde, entwickelt, um „glückliche“ oder „fröhliche“ Stimmungen zu bezeichnen, die historisch dem astrologischen Einfluss Jupiters zugeschrieben wurden.

Die griechische Gottheit Zeus liefert die etymologische Wurzel zeno-, die in mehrere Jupiter-bezogene Begriffe integriert ist, darunter Zenographie.

Formation und Orbitalmigration

Jupiter gilt als der älteste Planet im Sonnensystem, da er lediglich eine Million Jahre nach der Entstehung der Sonne und etwa 50 Millionen Jahre vor der Erde entstand. Zeitgenössische Modelle der Entwicklung des Sonnensystems gehen davon aus, dass Jupiter an oder jenseits der Schneegrenze verschmolz, einer Region, die weit genug von der entstehenden Sonne entfernt ist, damit Temperaturen die Kondensation flüchtiger Substanzen wie Wasser zu festen Zuständen ermöglichen. Der Planet entwickelte zunächst einen festen Kern und baute anschließend seine gasförmige Atmosphäre auf. Folglich muss seine Entstehung der vollständigen Auflösung des Sonnennebels vorausgegangen sein. Während dieser Gründungsperiode wuchs die Masse des Jupiter zunehmend und erreichte schließlich das Zwanzigfache der Masse der Erde, wobei etwa die Hälfte dieser Masse aus Silikaten, Eis und anderen Komponenten schwerer Elemente bestand. Als Proto-Jupiter die 50-Erdmasse überschritt, riss er eine deutliche Lücke in den Sonnennebel. Anschließend erreichte der expandierende Planet innerhalb von 3–4 Millionen Jahren seine endgültige Masse.

Die „Grand-Tack-Hypothese“ geht davon aus, dass Jupiter seine Entstehung in einer Entfernung von ungefähr 3,5 AE (520 Millionen km; 330 Millionen Meilen) von der Sonne begann. Als der entstehende Planet Masse anhäufte, lösten seine Gravitationswechselwirkungen mit der zirkumsolaren Gasscheibe und seine Orbitalresonanzen mit dem Saturn eine Einwanderung aus. Diese Bewegung nach innen destabilisierte die Umlaufbahnen mehrerer Supererden, die sich näher an der Sonne befanden, was zu deren zerstörerischen Kollisionen führte. Anschließend wird angenommen, dass Saturn eine Einwärtswanderung mit größerer Geschwindigkeit als Jupiter begonnen hat, die in der Erfassung der Planeten innerhalb einer mittleren Bewegungsresonanz von 3:2 in etwa 1,5 AE (220 Millionen km; 140 Millionen Meilen) von der Sonne gipfelte. Diese resonante Wechselwirkung kehrte ihre Wanderrichtung um und trieb sie von der Sonne weg und aus dem inneren Sonnensystem zu ihren gegenwärtigen Orbitpositionen. Diese Ereignisse ereigneten sich über einen Zeitraum von 3 bis 6 Millionen Jahren, wobei sich Jupiters letzte Migrationsphase über mehrere hunderttausend Jahre erstreckte. Jupiters schließlicher Abschied vom inneren Sonnensystem erleichterte die anschließende Bildung der inneren Planeten, einschließlich der Erde, aus den verbleibenden Trümmern.

Die Grand-Tack-Hypothese birgt jedoch mehrere ungelöste Herausforderungen. Beispielsweise scheinen die aus diesem Modell abgeleiteten vorhergesagten Entstehungszeitskalen für terrestrische Planeten nicht mit der beobachteten Elementzusammensetzung übereinzustimmen. Darüber hinaus hätte Jupiter, wenn er den Sonnennebel tatsächlich durchquert hätte, wahrscheinlich eine wesentlich nähere Umlaufbahn zur Sonne erreicht. Umgekehrt prognostizieren einige alternative Modelle der Entwicklung des Sonnensystems die Entstehung des Jupiter mit Bahneigenschaften, die denen seines aktuellen Zustands sehr ähnlich sind. Andere theoretische Rahmenwerke gehen davon aus, dass Jupiter in deutlich größeren Entfernungen entstanden ist, möglicherweise bis zu 18 AE (2,7 Milliarden km; 1,7 Milliarden Meilen).

Das Nice-Modell geht davon aus, dass die Anhäufung von Proto-Kuipergürtel-Objekten während der ersten 600 Millionen Jahre der Geschichte des Sonnensystems Jupiter und Saturn dazu veranlasste, von ihren ursprünglichen Standorten in eine 1:2-Resonanz zu wandern. Diese Resonanz trieb Saturn anschließend in eine höhere Umlaufbahn, wodurch die Umlaufbahnen von Uranus und Neptun gestört, der Kuipergürtel verkleinert und das späte schwere Bombardement eingeleitet wurden.

Das Jumping-Jupiter-Szenario geht davon aus, dass Jupiters Wanderweg durch das entstehende Sonnensystem zur Ausstoßung eines weiteren, fünften Gasriesen geführt haben könnte. Diese Hypothese geht davon aus, dass Jupiters beträchtliche Gravitationskraft während seiner Umlaufbahnverschiebung die Flugbahnen anderer Gasriesen destabilisierte und möglicherweise einen Planeten vollständig aus dem Sonnensystem schleuderte. Die komplizierte Dynamik eines solchen Ereignisses hätte die Entstehung und aktuelle Anordnung des Sonnensystems grundlegend verändert und in den vier derzeit beobachteten Gasriesen gipfelt.

Die Analyse der elementaren Zusammensetzung des Jupiter hat Forscher zu der Hypothese geführt, dass sich Jupiter ursprünglich jenseits der Schneegrenze für molekularen Stickstoff (N₂) gebildet hat, die auf 20–30 AE (3,0–4,5 Milliarden km; 1,9–2,8 Milliarden Meilen) geschätzt wird Sonne. Es ist auch denkbar, dass seine Entstehung jenseits der Argon-Schneegrenze stattfand und sich möglicherweise bis zu 40 AE (6,0 Milliarden km; 3,7 Milliarden Meilen) erstreckte. Nach dieser Perspektive wäre Jupiter, nachdem er sich in einer dieser entfernten Entfernungen gebildet hatte, anschließend über einen Zeitraum von etwa 700.000 Jahren nach innen zu seiner gegenwärtigen Position gewandert. Diese Einwanderung dürfte in einer Epoche etwa zwei bis drei Millionen Jahre nach der ersten Akkretion des Planeten stattgefunden haben. In diesem speziellen Modell wird angenommen, dass sich Saturn, Uranus und Neptun in noch größeren Entfernungen als Jupiter gebildet haben, wobei auch Saturn eine Einwärtswanderung durchläuft.

Physikalische Eigenschaften

Jupiter wird als Gasriese kategorisiert, der überwiegend aus Wasserstoff und Helium besteht. In der Planetengeologie werden diese Bestandteile als Gase bezeichnet, eine Klassifizierung, die sich von ihrem physikalischen Zustand der Materie unterscheidet. Als größter Planet im Sonnensystem weist Jupiter einen äquatorialen Durchmesser von 142.976 km (88.841 Meilen) auf, was einem Volumen entspricht, das 1.321-mal größer ist als das der Erde. Seine mittlere Dichte, gemessen bei 1,326 g/cm³, ist deutlich geringer als die auf den vier terrestrischen Planeten beobachteten Dichten.

Elementarzusammensetzung

Jupiters Atmosphäre besteht zu etwa 76 Masse-% aus Wasserstoff und zu 24 Masse-% aus Helium. Volumetrisch bestehen die oberen Atmosphärenschichten zu etwa 90 % aus Wasserstoff und zu 10 % aus Helium; Dieser verringerte Heliumanteil wird auf die größere Masse einzelner Heliumatome im Vergleich zu den in dieser Atmosphärenregion vorherrschenden Wasserstoffmolekülen zurückgeführt. In der Atmosphäre sind Spuren von elementarem Kohlenstoff, Sauerstoff, Schwefel und Neon sowie Verbindungen wie Ammoniak, Wasserdampf, Phosphin, Schwefelwasserstoff und verschiedene Kohlenwasserstoffe wie Methan, Ethan und Benzol vorhanden. Die äußerste Atmosphärenschicht ist durch das Vorhandensein gefrorener Ammoniakkristalle gekennzeichnet. Das Planeteninnere weist eine höhere Dichte auf, wobei seine Massenzusammensetzung auf etwa 71 % Wasserstoff, 24 % Helium und 5 % andere Bestandteile geschätzt wird.

Die atmosphärischen Verhältnisse von Wasserstoff und Helium kommen der theoretischen Zusammensetzung des ursprünglichen Sonnennebels sehr nahe. In der oberen Atmosphäre macht Neon 20 Massenteile pro Million aus, was etwa einem Zehntel der Sonnenhäufigkeit entspricht. Jupiters Heliumvorkommen beträgt ungefähr 80 % des Heliumvorkommens der Sonne, eine Diskrepanz, die auf die Ausfällung dieser Elemente als heliumreiche Tröpfchen tief im Inneren des Planeten zurückzuführen ist.

Spektroskopische Analysen legen nahe, dass Saturns Zusammensetzung der von Jupiter ähnelt; Die anderen Riesenplaneten Uranus und Neptun weisen jedoch vergleichsweise geringere Anteile an Wasserstoff und Helium und höhere Konzentrationen der zweithäufigsten Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel auf. Diese Himmelskörper werden als Eisriesen bezeichnet, eine Bezeichnung, die auf der Hypothese beruht, dass diese Elemente während ihrer Akkretion als Eis eingelagert wurden; Dennoch enthält ihre aktuelle innere Zusammensetzung wahrscheinlich nur minimales tatsächliches Eis.

Abmessungen und Masse

Jupiters Durchmesser beträgt etwa das Elffache des Erddurchmessers (11,208 R_🜨) und seine 318-fache Masse übersteigt die Gesamtmasse aller anderen Planeten im Sonnensystem um den Faktor 2,5. Seine immense Masse führt zu einem Schwerpunkt, bei dem die Sonne über der Sonnenoberfläche positioniert ist, und zwar 1,068 Sonnenradien vom Sonnenkern entfernt. Mit einem Radius von etwa einem Zehntel des Sonnenradius (0,10275 R_☉) und einer Masse von einem Tausendstel der Sonnenmasse weist Jupiter eine Dichte auf, die mit der der Sonne vergleichbar ist. Die „Jupitermasse“ (M_J oder M_Jup) dient als Standardeinheit zur Quantifizierung der Massen anderer Himmelskörper, insbesondere extrasolarer Planeten und Brauner Zwerge. Beispielsweise besitzt der Exoplanet HD 209458 b eine Masse von 0,69 M_J, während der Braune Zwerg Gliese 229 b eine Masse von 60,4 M_J hat. In ähnlicher Weise wird der „Jupiterradius“, der üblicherweise als Äquatorradius des Planeten definiert wird, verwendet, um die Abmessungen solcher Objekte zu charakterisieren.

Jupiter gibt mehr Wärmeenergie ab, als er durch Sonnenstrahlung absorbiert, ein Phänomen, das dem Kelvin-Helmholtz-Mechanismus zugeschrieben wird, der in seinem kontrahierenden Inneren wirkt. Dieser fortlaufende Prozess führt zu einer jährlichen Verringerung des Jupiterdurchmessers um etwa 1 mm (0,039 Zoll). Während seiner Entstehungszeit war Jupiter deutlich heißer und hatte einen Durchmesser, der etwa doppelt so groß war wie heute.

Theoretische Modelle deuten darauf hin, dass eine Zunahme der Masse des Jupiter um über 40 % zu einer so starken inneren Kompression führen würde, dass sein Volumen trotz der erhöhten Materiemenge abnimmt würde. Umgekehrt würden geringfügige Änderungen seiner Masse nicht zu einer wesentlichen Änderung seines Radius führen. Folglich wird davon ausgegangen, dass Jupiter den größtmöglichen Durchmesser besitzt, der für einen Planeten seiner spezifischen Zusammensetzung und Entwicklungsbahn erreichbar ist. Dieser Prozess der weiteren Volumenverringerung, der mit zunehmender Masse einhergeht, würde bis zum Einsetzen einer signifikanten Sternzündung andauern. Während Jupiter ungefähr das 75-fache seiner derzeitigen Masse benötigen würde, um die Wasserstofffusion einzuleiten und sich zu einem Stern zu entwickeln, ist sein derzeitiger Durchmesser bemerkenswert, wenn man bedenkt, dass die kleinsten Roten Zwerge einen geringfügig größeren Radius als Saturn haben können.

Planetenrotation

Jupiters axiale Neigung beträgt 3,13°, eine relativ geringe Neigung, die seine saisonalen Schwankungen im Vergleich zu denen auf der Erde und dem Mars vernachlässigbar macht.

Jupiter weist die schnellste axiale Rotation aller Planeten im Sonnensystem auf und vollendet eine vollständige Rotation in knapp zehn Stunden. Diese schnelle Rotation führt zu einer ausgeprägten äquatorialen Ausbuchtung, die selbst mit astronomischer Amateurausrüstung beobachtet werden kann. Konkret übersteigt sein Äquatorradius seinen Polarradius um 7 %. Aufgrund der nicht festen Zusammensetzung von Jupiter weist seine obere Atmosphäre eine unterschiedliche Rotation auf. Folglich ist die polare atmosphärische Rotationsperiode etwa fünf Minuten länger als die der äquatorialen Atmosphäre.

Zur präzisen Überwachung der Planetenrotation, insbesondere zur Kartierung atmosphärischer Strukturbewegungen, werden drei unterschiedliche Referenzsysteme verwendet. System I umfasst Breiten zwischen 7° N und 7° S und stellt mit 9 Stunden, 50 Minuten und 30,0 Sekunden die kürzeste Rotationsperiode des Planeten dar. Umgekehrt wird System II für Breitengrade nördlich und südlich dieses Bandes mit einem Zeitraum von 9 Stunden, 55 Minuten und 40,6 Sekunden verwendet. Das von Radioastronomen etablierte System III korreliert mit der Rotation der Magnetosphäre des Jupiter und dient als offiziell anerkannte Rotationsperiode des Planeten.

Interne Struktur

Vor dem frühen 21. Jahrhundert stellte die wissenschaftliche Gemeinschaft im Allgemeinen zwei Haupthypothesen bezüglich der Entstehung des Jupiter auf. Eine Hypothese besagte, dass, wenn der Planet zunächst als fester Körper akquirierte, seine Zusammensetzung einen dichten Kern, eine umhüllende Schicht aus flüssigem metallischem Wasserstoff (mit etwas Helium), die sich über etwa 80 % des Planetenradius erstreckt, und eine äußere Atmosphäre umfassen würde, die überwiegend aus molekularem Wasserstoff besteht. Umgekehrt ging die alternative Theorie davon aus, dass Jupiter, wenn er direkt aus dem gravitativen Kollaps der gasförmigen protoplanetaren Scheibe entstanden wäre, keinen ausgeprägten Kern hätte und stattdessen eine zunehmend dichtere Flüssigkeit (hauptsächlich molekularer und metallischer Wasserstoff) aufweisen würde, die sich bis zu seinem Zentrum erstreckt. Daten der Juno-Mission zeigten jedoch, dass Jupiter einen diffusen Kern besitzt, der sich mit seinem Mantel vermischt, 30–50 % des Planetenradius einnimmt und aus schweren Elementen mit einer Gesamtmasse von 7–25 Erdmassen besteht. Diese beobachtete Vermischung könnte während der Entstehung des Planeten entstanden sein, als er Feststoffe und Gase aus dem umgebenden Nebel ansammelte. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass es sich um einen Einschlag mit einem Planeten handelte, der etwa zehnmal so groß ist wie die Masse der Erde, der mehrere Millionen Jahre nach der Entstehung des Jupiters stattfand und der einen ursprünglich kompakten Jupiterkern zerstört hätte.

Jenseits der metallischen Wasserstoffschicht ist eine transparente Innenatmosphäre aus Wasserstoff vorhanden. In diesen Tiefen überschreiten sowohl Druck als auch Temperatur den kritischen Druck von 1,3 MPa und die kritische Temperatur von molekularem Wasserstoff von 33 K (–240,2 °C; –400,3 °F). Folglich weist Wasserstoff in diesem überkritischen flüssigen Zustand keine ausgeprägten flüssigen oder gasförmigen Phasen auf. Das aus der Wolkenschicht herabsteigende Wasserstoff- und Heliumgas geht in tieferen Schichten zunehmend in eine Flüssigkeit über und bildet möglicherweise einen riesigen Ozean aus flüssigem Wasserstoff und anderen überkritischen Flüssigkeiten. Aus physikalischer Sicht nimmt die Temperatur und Dichte des Gases mit zunehmender Tiefe zunehmend zu.

Helium und Neon fallen als regenähnliche Tröpfchen in der unteren Atmosphäre aus und verringern dadurch die Konzentration dieser Elemente in den oberen Atmosphärenschichten. Theoretische Modelle deuten darauf hin, dass sich Heliumtröpfchen in einem Planetenradius von 60.000 km (37.000 Meilen), also 11.000 km (6.800 Meilen) unter den Wolkendecken, vom metallischen Wasserstoff trennen und anschließend bei 50.000 km (31.000 Meilen) oder 22.000 km (14.000 Meilen) unter den Wolken wieder verschmelzen. Darüber hinaus wurde die Entstehung von Diamantregen vermutet, und zwar nicht nur auf Jupiter, sondern auch auf Saturn und den Eisriesen Uranus und Neptun.

In Jupiter steigen sowohl Temperatur als auch Druck zunehmend zum Inneren hin an, da die ursprüngliche Entstehungswärme des Planeten nur durch Konvektion abgeführt werden kann. In einer atmosphärischen Tiefe, die ungefähr einer Standard-Erdatmosphäre (0,10 MPa oder 1 bar) entspricht, beträgt die Temperatur ungefähr 165 K (–108 °C; –163 °F). Die Übergangszone, in der sich überkritischer Wasserstoff allmählich von einer molekularen Flüssigkeit in eine metallische Flüssigkeit umwandelt, umfasst Druckbereiche von 50–400 GPa mit entsprechenden Temperaturen zwischen 5.000–8.400 K (4.730–8.130 °C; 8.540–14.660 °F). Es wird geschätzt, dass Jupiters verdünnter Kern eine Temperatur von 20.000 K (19.700 °C; 35.500 °F) erreicht und einem Druck von etwa 4.000 GPa ausgesetzt ist.

Atmosphäre

Jupiters Atmosphäre besteht überwiegend aus molekularem Wasserstoff und Helium, ergänzt durch geringe Mengen anderer Verbindungen, darunter Wasser, Methan, Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Diese atmosphärische Hülle erstreckt sich bis zu einer Tiefe von etwa 3.000 Kilometern (2.000 Meilen) unter den sichtbaren Wolkenschichten.

Cloud-Ebenen

Jupiter ist ständig von Wolken aus Ammoniakkristallen umhüllt, die möglicherweise Ammoniumhydrosulfid enthalten. Diese Wolken befinden sich innerhalb der atmosphärischen Tropopause und manifestieren sich als Breitenbänder, die als tropische Regionen bezeichnet werden. Diese Regionen werden in hellere Zonen und dunklere Gürtel eingeteilt. Die antagonistische Kreislaufdynamik dieser Muster erzeugt Stürme und Turbulenzen. In zonalen Jetstreams werden häufig Windgeschwindigkeiten von 100 Metern pro Sekunde (360 km/h; 220 mph) beobachtet. Obwohl die Zonen jährlich Schwankungen in Breite, Farbe und Intensität aufweisen, haben sie eine ausreichende Stabilität bewahrt, um eine wissenschaftliche Nomenklatur zu rechtfertigen.

Die Wolkenschicht hat eine ungefähre Tiefe von 50 km (31 Meilen) und besteht aus mindestens zwei unterschiedlichen Schichten von Ammoniakwolken: einer oberen, dünnen und transparenteren Schicht und einer unteren, dichteren Schicht. Unter den Ammoniakwolken könnte sich eine dünne Schicht aus Wasserwolken befinden, was durch Blitzentladungen in der Atmosphäre des Jupiter belegt wird. Diese elektrischen Entladungen können Größenordnungen erreichen, die bis zu tausendmal größer sind als Erdblitze. Es wird vermutet, dass die Wasserwolken Gewitter erzeugen, die terrestrischen Phänomenen ähneln und durch interne Wärmekonvektion angetrieben werden. Die Juno-Mission deckte die Existenz von „flachen Blitzen“ auf, die von Ammoniak-Wasser-Wolken in erhöhten atmosphärischen Höhen ausgehen. Diese Entladungen transportieren „Mushballs“ – eisumhüllte Ansammlungen von Wasser-Ammoniak-Matsch –, die tief in die Atmosphäre absinken. In der oberen Atmosphäre des Jupiter wurden Blitzphänomene als leuchtende, vorübergehende Blitze entdeckt, die etwa 1,4 Millisekunden andauern. Diese als „Elfen“ oder „Sprites“ bezeichneten Phänomene weisen eine blaue oder rosa Färbung auf, die auf Wasserstoff zurückzuführen ist.

Die in Jupiters Wolken beobachteten orangen und braunen Farbtöne resultieren aus dem Aufstieg von Verbindungen, die bei Einwirkung von ultravioletter Sonnenstrahlung eine chromatische Veränderung erfahren. Ihre genaue chemische Zusammensetzung bleibt unbestimmt, obwohl angenommen wird, dass diese Substanzen aus Phosphor, Schwefel oder möglicherweise Kohlenwasserstoffen bestehen. Diese farbenfrohen Verbindungen, sogenannte Chromophore, vermischen sich mit den wärmeren Wolkenformationen der unteren Schicht. Die hellen Zonen entstehen, wenn aufsteigende Konvektionszellen die Kristallisation von Ammoniak erleichtern und dadurch die Chromophore verdecken.

Jupiter weist eine minimale axiale Neigung auf, wodurch sichergestellt wird, dass seine Pole im Vergleich zur äquatorialen Zone des Planeten durchweg eine geringere Sonneneinstrahlung erhalten. Die interne Konvektion des Planeten erleichtert die polwärts gerichtete Energieübertragung und gleicht dadurch die Temperaturen innerhalb der Wolkenschicht aus.

Der Große Rote Fleck und die damit verbundenen Wirbel

Ein herausragendes Merkmal von Jupiter ist der Große Rote Fleck, ein anhaltender antizyklonaler Wirbel, der sich etwa 22° südlich des Äquators befindet. Erste Beobachtungen stammen aus dem Jahr 1831, mit möglichen früheren Sichtungen im Jahr 1665. Bilder des Hubble-Weltraumteleskops haben zwei weitere „rote Flecken“ neben dem Großen Roten Fleck entdeckt. Dieser Sturm ist mit erdgestützten Teleskopen mit einer Öffnung von 12 cm oder mehr erkennbar. Der Sturm dreht sich gegen den Uhrzeigersinn und vollendet einen Zyklus in etwa sechs Tagen. Der Wirbel erreicht eine maximale Höhe von etwa 8 Kilometern (5 Meilen) über den angrenzenden Wolkendecken. Die Zusammensetzung des Großen Roten Flecks und die Entstehung seines charakteristischen roten Farbtons bleiben unbestimmt, obwohl die Reaktion von photodissoziiertem Ammoniak mit Acetylen als plausible Erklärung angenommen wird.

Der Große Rote Fleck ist größer als die Erde. Mathematische Modellierungen weisen auf die Stabilität des Sturms und seinen prognostizierten Status als permanentes planetarisches Merkmal hin. Dennoch kam es seit seiner ersten Entdeckung zu einer deutlichen Verkleinerung seiner Abmessungen. Frühe Beobachtungen aus dem späten 19. Jahrhundert deuteten auf eine ungefähre Querausdehnung von 41.000 km (25.500 Meilen) hin. Bis 2015 betrug die Größe des Sturms etwa 16.500 x 10.940 Kilometer (10.250 x 6.800 Meilen), wobei seine Länge jährlich um etwa 930 km (580 Meilen) abnahm. Im Oktober 2021 ermittelte eine Juno-Vorbeiflugmission, dass die Tiefe des Großen Roten Flecks etwa 300–500 Kilometer (190–310 Meilen) beträgt.

Juno-Missionen identifizierten mehrere Zykloncluster an den Polen des Jupiter. Der nördliche Cluster besteht aus neun Zyklonen mit einem markanten zentralen Wirbel, der von acht weiteren Zyklonen umgeben ist. Umgekehrt weist sein südliches Gegenstück ebenfalls einen zentralen Wirbel auf, wird jedoch von fünf starken Stürmen und einem kleineren Sturm umgeben, was insgesamt sieben Zyklonformationen ergibt.

Im Jahr 2000 trat auf der Südhalbkugel des Jupiter ein deutliches atmosphärisches Phänomen auf, das in seiner Morphologie dem Großen Roten Fleck ähnelte, wenn auch in kleinerem Maßstab. Diese Formation entstand durch das Zusammenwachsen von drei kleineren, weißen, ovalen Stürmen, die sich ursprünglich zwischen 1939 und 1940 entwickelt hatten, zu einer einzigen Einheit. Das resultierende zusammengeführte Feature wurde als Oval BA bezeichnet. Anschließend verstärkte es sich und vollzog eine chromatische Verschiebung von Weiß zu Rot, was zu seiner beliebten Bezeichnung „Kleiner Roter Fleck“ führte.

Im April 2017 identifizierten Forscher einen „Großen Kalten Fleck“ in der Thermosphäre des Jupiter, der sich in der nördlichen Polarregion befindet. Diese atmosphärische Anomalie ist 24.000 km (15.000 Meilen) lang und 12.000 km (7.500 Meilen) breit und weist einen Temperaturunterschied von 200 °C (360 °F) unter dem umgebenden thermosphärischen Material auf. Obwohl seine Morphologie und Intensität über kurze Zeiträume schwanken, befindet sich dieser Ort seit über 15 Jahren konstant an seinem ungefähren atmosphärischen Standort. Es wird angenommen, dass es sich um einen kolossalen Wirbel handelt, der dem Großen Roten Fleck ähnelt, und der eine quasistabile Eigenschaft aufweist, die den auf der Erde beobachteten thermosphärischen Wirbeln ähnelt. Die Entstehung dieses Merkmals ist möglicherweise auf Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen aus Io und dem starken Magnetfeld des Jupiter zurückzuführen, die zu einer lokalen Umverteilung der thermischen Energie führen.

Magnetosphäre

Jupiter besitzt das stärkste Magnetfeld aller Planeten im Sonnensystem, gekennzeichnet durch ein Dipolmoment von 4,170 Gauss (0,4170 mT) und eine Neigung von 10,31° relativ zu seiner Rotationsachse. Die Intensität des Oberflächenmagnetfelds reicht von 2 Gauss (0,20 mT) bis 20 Gauss (2,0 mT). Es wird angenommen, dass dieses Feld von Wirbelströmen – zirkulierenden Bewegungen leitfähiger Materialien – im flüssigen, metallischen Wasserstoffkern des Planeten herrührt. Ungefähr 75 Jupiterradien vom Planeten entfernt erzeugt die Wechselwirkung der Magnetosphäre mit dem Sonnenwind einen Bugstoß. Die Magnetopause des Jupiter umgibt die Magnetopause, die die innere Grenze der Magnethülle definiert, einem Übergangsbereich zwischen der Magnetopause und dem Bugschock. Die Wechselwirkung des Sonnenwinds mit diesen Zonen führt zu einer Verlängerung der Magnetosphäre auf der Leeseite des Jupiter und projiziert sie in eine Entfernung nach außen, die nahezu der Umlaufbahn des Saturn entspricht. Alle vier Galileischen Monde des Jupiter bewegen sich vollständig in dieser Magnetosphäre und sind dadurch vor dem Sonnenwind geschützt.

Vulkanische Aktivität auf dem Jupitermond Io stößt erhebliche Mengen Schwefeldioxid aus, das anschließend auf seiner Umlaufbahn einen gasförmigen Torus bildet. In der Magnetosphäre des Jupiter wird dieses Gas ionisiert, wodurch Schwefel- und Sauerstoffionen entstehen. Diese Ionen verschmelzen zusammen mit Wasserstoffionen aus der Jupiteratmosphäre und bilden eine Plasmaschicht, die sich innerhalb der Äquatorialebene des Planeten befindet. Das Plasma innerhalb dieser Schicht rotiert mit Jupiter und führt zu einer Verformung des Dipolmagnetfelds des Planeten in eine Magnetplattenkonfiguration. Die in der Plasmaschicht befindlichen Elektronen erzeugen eine deutliche Funksignatur, die durch kurze, überlagerte Ausbrüche im Frequenzbereich von 0,6–30 MHz gekennzeichnet ist und von der Erde aus mit Kurzwellenradioempfängern der Verbraucherklasse erkennbar ist. Ios Transit durch diesen Torus löst eine Wechselwirkung aus, die Alfvén-Wellen erzeugt und ionisiertes Material in Richtung der Polarregionen des Jupiter transportiert. Folglich werden Radiowellen über einen Zyklotron-Maser-Mechanismus erzeugt, wobei sich ihre Energie entlang einer konischen Oberfläche nach außen ausbreitet. Sollte die Position der Erde mit dieser konischen Emissionsbahn übereinstimmen, können die Radioemissionen des Jupiter die gesamte Radioemission der Sonne übertreffen.

Orbitaldynamik und Beobachtung

Jupiter ist der einzige Planet, dessen Schwerpunkt mit der Sonne außerhalb des physischen Volumens der Sonne liegt, nämlich etwa 7 % des Sonnenradius. Seine mittlere Umlaufentfernung von der Sonne beträgt 778 Millionen km (5,20 AE), wobei die vollständige Umlaufzeit 11,86 Jahre beträgt. Diese Dauer macht ungefähr zwei Fünftel der Umlaufperiode des Saturn aus und stellt eine nahezu orbitale Resonanz zwischen den beiden Planeten her. Die Umlaufebene des Jupiter weist eine Neigung von 1,30° gegenüber der Umlaufebene der Erde auf. Aufgrund seiner Exzentrizität der Umlaufbahn von 0,049 nähert sich Jupiter der Sonne im Perihel um etwas mehr als 75 Millionen km näher als im Aphel, was auf eine nahezu kreisförmige Umlaufbahn hinweist. Diese relativ geringe Exzentrizität steht im Gegensatz zu Beobachtungen aus der Exoplanetenforschung, die häufig Planeten mit Jupitermasse identifiziert, die deutlich höhere Exzentrizitäten aufweisen. Theoretische Modelle gehen davon aus, dass diese Eigenschaft auf die Anwesenheit von nur zwei Riesenplaneten in unserem Sonnensystem zurückzuführen sein könnte, da die Einbeziehung von drei oder mehr Riesenplaneten typischerweise mit der Induktion größerer Exzentrizitäten der Umlaufbahnen korreliert.

Jupiter ist normalerweise der vierthellste Himmelskörper am Himmel, nach Sonne, Mond und Venus, obwohl der Mars seine Leuchtkraft während der Opposition übertreffen kann. Seine visuelle Helligkeit schwankt je nach Position relativ zur Erde und reicht von einem Spitzenwert von −2,94 bei Opposition bis zu einem Mindestwert von −1,66 bei Konjunktion mit der Sonne. Die durchschnittliche scheinbare Helligkeit beträgt −2,20 mit einer Standardabweichung von 0,33. Ebenso variiert der Winkeldurchmesser von Jupiter zwischen 50,1 und 30,5 Bogensekunden. Optimale Oppositionen treten auf, wenn Jupiter sich am Perihel seiner Umlaufbahn befindet, wodurch seine Entfernung von der Erde minimiert wird. Um die Opposition herum zeigt Jupiter etwa 121 Tage lang eine rückläufige Bewegung, wobei er sich um 9,9° rückwärts bewegt, bevor er seine progressive Flugbahn wieder aufnimmt.

Angesichts der Tatsache, dass Jupiters Umlaufbahn außerhalb der Erdumlaufbahn liegt, bleibt sein Phasenwinkel, wie von der Erde aus beobachtet, konstant unter 11,5°. Folglich erscheint Jupiter bei Betrachtung durch terrestrische Teleskope fast vollständig erleuchtet. Die Halbmondphasen des Planeten wurden ausschließlich während spezieller Raumsondenmissionen erfasst. Ein bescheidenes Teleskop zeigt normalerweise die vier Galileischen Monde des Jupiter und die markanten Wolkengürtel in seiner Atmosphäre. Ein größeres Instrument mit einer Öffnung von 10–15 cm (4–6 Zoll) kann Jupiters Großen Roten Fleck auflösen, wenn es auf die Erde ausgerichtet ist.

Gravitationsdomäne und Einfluss

Planetenringe

Jupiter besitzt ein subtiles Planetenringsystem, das aus drei Hauptkomponenten besteht: einem inneren Torus aus Teilchen, der Halo genannt wird, einem vergleichsweise leuchtenden Hauptring und einem ätherischen äußeren hauchdünnen Ring. Diese Ringe bestehen im Gegensatz zu den eisbasierten Ringen des Saturn überwiegend aus Staub. Es wird vermutet, dass der Hauptring aus Material entsteht, das von den Satelliten Adrastea und Metis ausgestoßen und anschließend durch sein starkes Gravitationsfeld in den Jupiter hineingezogen wurde. Zusätzliche Einwirkungen tragen neues Material zum System bei. Analog wird angenommen, dass die Monde Thebe und Amalthea die beiden unterschiedlichen Elemente des staubigen hauchdünnen Rings erzeugen. Darüber hinaus gibt es Hinweise auf einen vierten Ring, der möglicherweise aus Kollisionstrümmern von Amalthea besteht und entlang der Umlaufbahn dieses Mondes verteilt ist.

Monde

Jupiter verfügt derzeit über 101 identifizierte natürliche Satelliten, eine Zahl, die mit den laufenden Teleskopbeobachtungen voraussichtlich noch zunehmen wird. Davon überschreiten nur 16 einen Durchmesser von 10 km. Die vier größten Monde, die zusammen als die Galileischen Monde bekannt sind – Ganymed, Kallisto, Io und Europa (in absteigender Größenordnung aufgeführt) – sind in einer klaren Nacht von der Erde aus mit einem Fernglas erkennbar.

Galiläische Monde

Die von Galileo entdeckten Monde Io, Europa, Ganymed und Kallisto gehören zu den bedeutendsten im Sonnensystem. Die Umlaufbahnen von Io, Europa und Ganymed weisen eine als Laplace-Resonanz bekannte Konfiguration auf, bei der Io vier Umlaufbahnen um Jupiter für jeweils zwei Umlaufbahnen Europas und eine Umlaufbahn Ganymeds durchläuft. Diese Resonanz induziert Gravitationswechselwirkungen zwischen den drei großen Monden und verformt ihre Umlaufbahnen in elliptische Bahnen, da jeder Mond am gleichen Orbitalpunkt eine zusätzliche Gravitationsstörung durch seine Nachbarn erfährt. Umgekehrt sorgt die Gezeitenkraft des Jupiter dafür, dass diese Umlaufbahnen kreisförmig werden.

Die Exzentrizität der Umlaufbahnen dieser drei Monde führt zu einer periodischen Biegung ihrer Formen; Die Schwerkraft des Jupiter verlängert sie, wenn sie sich dem Planeten nähern, und ermöglicht es ihnen, bei ihrer Entfernung wieder eine kugelförmigere Form anzunehmen. Die durch diese Gezeitenbewegung erzeugte Reibung erzeugt innere Wärme in den Monden. Dieses Phänomen lässt sich am deutlichsten bei der vulkanischen Aktivität von Io beobachten, das den stärksten Gezeitenkräften ausgesetzt ist, und in geringerem Maße an der geologisch jungen Oberfläche Europas, was auf die kürzliche Wiederauftauchung der Mondoberfläche hinweist.

Klassifizierung

Historisch gesehen wurden die Jupitermonde auf der Grundlage ihrer gemeinsamen Umlaufbahneigenschaften in vier Gruppen zu je vier Monden eingeteilt. Dieses Klassifizierungsschema ist jedoch aufgrund der Entdeckung zahlreicher kleinerer äußerer Monde seit 1999 komplizierter geworden. Die Satelliten des Jupiter sind jetzt in mehrere verschiedene Gruppen unterteilt, obwohl zwei bekannte Monde, Themisto und Valetudo, derzeit keiner bestimmten Gruppe zugeordnet werden.

Es wird angenommen, dass die acht innersten regelmäßigen Monde, die durch ihre nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen nahe der Äquatorialebene des Jupiter gekennzeichnet sind, gemeinsam mit dem Planeten entstanden sind. Umgekehrt geht man davon aus, dass es sich bei den verbleibenden unregelmäßigen Monden um eingefangene Asteroiden oder Fragmente davon handelt. Es wird außerdem vermutet, dass die unregelmäßigen Monde innerhalb bestimmter Gruppen einen gemeinsamen Ursprung haben könnten, der möglicherweise auf die Fragmentierung eines größeren Mondes oder eines zuvor eingefangenen Himmelskörpers zurückzuführen ist.

Interaktion mit dem Sonnensystem

Als massereichster Planet im Sonnensystem hat Jupiters erheblicher Gravitationseinfluss erheblich zu seiner Gesamtkonfiguration beigetragen. Abgesehen von Merkur sind die Umlaufebenen der anderen Planeten im System enger an der Umlaufebene des Jupiter ausgerichtet als an der Äquatorialebene der Sonne. Jupiter ist in erster Linie für die innerhalb des Asteroidengürtels beobachteten Kirkwood-Lücken verantwortlich, und es wird auch vermutet, dass er eine Rolle beim Ereignis „Late Heavy Bombardment“ in der frühen Geschichte des inneren Sonnensystems gespielt hat.

Über sein Satellitensystem hinaus übt Jupiters Gravitationsfeld die Kontrolle über zahlreiche Asteroiden aus, die sich an den Lagrange-Punkten befinden, die dem Planeten auf seiner Sonnenumlaufbahn entweder vorausgehen oder ihm folgen. Diese Himmelskörper werden als trojanische Asteroiden bezeichnet und in „griechische“ und „trojanische“ Lager eingeteilt, eine Nomenklatur zu Ehren des epischen Gedichts Ilias. Die erste Entdeckung, 588 Achilles, wurde 1906 von Max Wolf gemacht, und in der Folge wurden über zweitausend solcher Asteroiden identifiziert, wobei 624 Hektor der größte bekannte ist.

Die Kometenfamilie Jupiter ist durch eine große Halbachse gekennzeichnet, die kleiner als die des Jupiter ist und die meisten kurzperiodischen Kometen umfasst. Es wird angenommen, dass diese Kometen ihren Ursprung im Kuipergürtel haben, der sich jenseits der Umlaufbahn von Neptun befindet. Durch enge Gravitationsbegegnungen mit Jupiter werden ihre Umlaufbahnen in kürzere Perioden gestört, die anschließend aufgrund anhaltender Gravitationswechselwirkungen mit der Sonne und Jupiter einer Zirkularisierung unterliegen.

Auswirkungen

Jupiter wird aufgrund seiner tiefgreifenden Gravitationsquelle und seiner Nähe zum inneren Sonnensystem häufig als „Staubsauger“ des Sonnensystems bezeichnet. Infolgedessen erfährt Jupiter eine höhere Häufigkeit von Einschlägen, insbesondere von Kometen, als jeder andere Planet im Sonnensystem; So erträgt sie etwa 200-mal mehr Asteroiden- und Kometeneinschläge als die Erde. In der Vergangenheit gingen Wissenschaftler davon aus, dass Jupiter dem inneren Sonnensystem einen teilweisen Schutz gegen Kometenbeschuss bot. Dennoch deuten Computersimulationen aus dem Jahr 2008 darauf hin, dass Jupiter keine Nettoverringerung der Zahl der Kometen bewirkt, die das innere Sonnensystem durchqueren, da sein Gravitationseinfluss ihre Umlaufbahnen nach innen mit einer Häufigkeit stört, die mit der Ansammlung oder dem Ausstoß dieser Körper vergleichbar ist. Dieses Thema bleibt innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft umstritten. Einige Forscher vermuten, dass Jupiter Kometen aus dem Kuipergürtel zur Erde lockt, während andere behaupten, dass er die Erde vor Objekten schützt, die aus der Oortschen Wolke stammen.

Im Juli 1994 traf der Komet Shoemaker-Levy 9 auf Jupiter. Diese Einschläge wurden von globalen Observatorien, darunter dem Hubble-Weltraumteleskop und der Raumsonde Galileo, akribisch beobachtet. Das Ereignis erregte umfangreiche Medienberichterstattung.

Analysen historischer astronomischer Aufzeichnungen und Illustrationen haben acht Fälle potenzieller Einschlagsbeobachtungen zwischen 1664 und 1839 identifiziert. Eine Überprüfung aus dem Jahr 1997 kam jedoch zu dem Schluss, dass diese Beobachtungen nur eine minimale oder keine Wahrscheinlichkeit hatten, tatsächliche Einschlagsereignisse darzustellen. Nachfolgende Untersuchungen derselben Forschungsgruppe legten nahe, dass es sich bei einem dunklen Oberflächenmerkmal, das der Astronom Giovanni Cassini im Jahr 1690 dokumentierte, um eine Einschlagnarbe gehandelt haben könnte.

Beobachtungs- und Erkundungsverlauf

Vorteleskopische Forschung

Beweise für Jupiterbeobachtungen gehen auf babylonische Astronomen im 7.–8. Jahrhundert v. Chr. zurück. Alte chinesische Astronomen bezeichneten Jupiter als den „sui Stern" (Suìxīng 歲星) und formulierten ihre Die zwölf Erdzweige kreisen basierend auf der ungefähren Umlaufzeit des Planeten um die Sonne. Die chinesische Sprache verwendet weiterhin ihren Namen (歲; vereinfacht als 岁) zur Angabe von Jahren. Bis zum 4. Jahrhundert v. Chr. hatten sich diese astronomischen Beobachtungen zum chinesischen Tierkreis entwickelt, in dem jedes Jahr mit einem Tai-Sui-Stern und einer Gottheit verbunden war, die die Himmelsregion gegenüber der nächtlichen Position des Jupiter regierte. Diese traditionellen Überzeugungen bestehen in bestimmten taoistischen und volksreligiösen Praktiken sowie in den zwölf Tieren des ostasiatischen Tierkreises fort. Der chinesische Historiker Xi Zezong hat behauptet, dass Gan De, ein alter chinesischer Astronom, einen kleinen Stern „im Bündnis“ mit Jupiter dokumentierte, was möglicherweise auf die Sichtung eines Jupitermondes mit bloßem Auge hindeutet. Sollte sich diese Beobachtung bestätigen, würde sie der Entdeckung Galileis um fast zwei Jahrtausende vorausgehen.

Eine Arbeit aus dem Jahr 2016 weist darauf hin, dass die Babylonier vor 50 v. Chr. die Trapezregel verwendeten, um Jupiters Geschwindigkeit entlang der Ekliptik zu integrieren. Anschließend konstruierte der hellenistische Astronom Claudius Ptolemäus in seinem Werk Almagest aus dem 2. Jahrhundert ein geozentrisches Planetenmodell auf der Grundlage von Deferenten und Epizykeln, um die beobachtete Bewegung Jupiters relativ zur Erde zu erklären, und berechnete seine Umlaufzeit mit 4332,38 Tagen oder 11,86 Jahren.

Bodengestützte Teleskopforschung

Im Jahr 1610 machte der italienische Universalgelehrte Galileo Galilei die bahnbrechende Teleskopentdeckung der vier größten Jupitermonde, die später als Galileische Monde bezeichnet wurden. Dieses Ereignis gilt allgemein als die erste teleskopische Beobachtung von Himmelskörpern, die einen anderen Planeten als die Erde umkreisen. Bemerkenswerterweise identifizierte Simon Marius unabhängig nur einen Tag nach Galileo Monde, die Jupiter umkreisen, obwohl seine Ergebnisse erst 1614 offiziell veröffentlicht wurden. Letztendlich wurde Marius‘ Nomenklatur für diese Hauptsatelliten – Io, Europa, Ganymed und Callisto – allgemein übernommen. Diese Entdeckung lieferte substanzielle empirische Beweise, die das heliozentrische Modell der Planetenbewegung von Nikolaus Kopernikus stützten, eine Haltung, für die Galileis lautstarke Befürwortung zu seinem Prozess und seiner Verurteilung durch die Inquisition führte.

Im Herbst 1639 beobachtete und identifizierte der neapolitanische Optiker Francesco Fontana beim Testen eines von ihm selbst gebauten 22-Palmen-Teleskops die charakteristischen atmosphärischen Bänder des Planeten Planet.

In den 1660er Jahren nutzte Giovanni Cassini ein neuartiges Teleskop, um Punkte in der Atmosphäre des Jupiter zu identifizieren, die abgeflachte Sphäroidform des Planeten zu ermitteln und seine Rotationsperiode abzuschätzen. Im Jahr 1692 erkannte Cassini außerdem, dass die Atmosphäre des Jupiter eine unterschiedliche Rotation aufweist.

Der Große Rote Fleck wurde möglicherweise erstmals 1664 von Robert Hooke und 1665 von Cassini beobachtet, obwohl diese frühen Sichtungen weiterhin Gegenstand von Debatten sind. Die erste dokumentierte Zeichnung, die den Großen Roten Fleck detailliert beschreibt, wurde 1831 vom Apotheker Heinrich Schwabe erstellt. Historische Berichte deuten darauf hin, dass der Rote Fleck Berichten zufolge zwischen 1665 und 1708 zeitweise nicht zu beobachten war, bevor er 1878 deutlich hervortrat. Nachfolgende Aufzeichnungen zeigen, dass seine Sichtbarkeit 1883 und zu Beginn des 20. Jahrhunderts wieder abnahm.

Giovanni Borelli und Cassini hat sorgfältig Tabellen zusammengestellt, die die Bewegungen der Jupitermonde dokumentieren und so präzise Vorhersagen ihrer Transite und Bedeckungen relativ zum Planeten ermöglichen. In den 1670er Jahren stellte Cassini fest, dass sich diese vorhergesagten Ereignisse durchgängig um etwa 17 Minuten verzögerten, als Jupiter auf der der Erde gegenüberliegenden Seite der Sonne positioniert war. Ole Rømer folgerte später aus dieser zeitlichen Diskrepanz, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit besitzt – eine Schlussfolgerung, die Cassini zuvor zurückgewiesen hatte – und diese Beobachtung war entscheidend für die erste quantitative Schätzung der Lichtgeschwindigkeit.

Im Jahr 1892 entdeckte E. E. Barnard mithilfe des 36-Zoll-Refraktors (910 mm) am Lick-Observatorium in Kalifornien einen fünften Jupiter-Satelliten. Dieser Mond wurde später Amalthea genannt. Er zeichnet sich dadurch aus, dass er der letzte Planetenmond ist, der direkt von einem visuellen Beobachter per Teleskop identifiziert wurde. Vor dem Vorbeiflug der Sonde Voyager 1 im Jahr 1979 wurden weitere acht Satelliten entdeckt.

Im Jahr 1932 identifizierte Rupert Wildt erfolgreich Absorptionsbanden, die Ammoniak und Methan in den Spektraldaten des Jupiters entsprechen. Anschließend wurden im Jahr 1938 drei anhaltende antizyklonische Formationen, sogenannte „weiße Ovale“, beobachtet. Diese Merkmale blieben mehrere Jahrzehnte lang als eigenständige atmosphärische Einheiten bestehen, näherten sich einander an, verschmolzen jedoch nie. Letztendlich fusionierten zwei dieser Ovale im Jahr 1998 und übernahmen dann im Jahr 2000 das dritte, was zur Gründung von Oval BA führte.

Radioteleskopische Forschung

1955 machten Bernard Burke und Kenneth Franklin die Entdeckung, dass Jupiter diskrete Radiowellenstöße mit einer Frequenz von 22,2 MHz aussendet. Die Periodizität dieser Ausbrüche korrelierte mit der Rotation des Planeten und ermöglichte so eine genauere Messung der Rotationsrate des Jupiter. Jupiter-Funkausbrüche wurden anschließend in zwei verschiedene Typen eingeteilt: lange Ausbrüche (L-Ausbrüche), die mehrere Sekunden andauern können, und kurze Ausbrüche (S-Ausbrüche), deren Dauer typischerweise weniger als eine Hundertstelsekunde beträgt.

Forscher haben drei verschiedene Kategorien von Radiosignalen identifiziert, die vom Jupiter ausgehen:

• Dekametrische Radiostöße, die durch Wellenlängen von mehreren zehn Metern gekennzeichnet sind, weisen eine mit der Rotation des Jupiter korrelierende Variabilität auf und werden durch die Wechselwirkung zwischen Io und Jupiters Magnetfeld moduliert.
• Dezimetrische Radioemission mit Wellenlängen, die in Zentimetern messbar sind, wurde erstmals 1959 von Frank Drake und Hein Hvatum entdeckt. Dieses Signal stammt von einem ringförmigen Gürtel, der den Äquator des Jupiter umgibt, wo Zyklotronstrahlung durch Elektronen erzeugt wird, die im Magnetfeld des Planeten beschleunigt werden.
• Jupiters Atmosphäre erzeugt aufgrund ihrer inneren Wärme Wärmestrahlung.

Exploration

Automatisierte Raumschiffe erforschen Jupiter seit 1973, beginnend mit dem nahen Vorbeiflug der Sonde Pioneer 10, der erste Einblicke in die Eigenschaften und Phänomene des Planeten lieferte. Weltraummissionen zum Ziel Jupiter erfordern einen erheblichen Energieaufwand, der durch die Nettogeschwindigkeitsänderung des Raumfahrzeugs oder Delta-V quantifiziert wird. Um beispielsweise eine Hohmann-Transferbahn von einer erdnahen Umlaufbahn zum Jupiter zu erreichen, ist eine Delta-V-Geschwindigkeit von 6,3 km/s erforderlich, ein Wert, der mit den 9,7 km/s vergleichbar ist, die zum Erreichen einer erdnahen Umlaufbahn selbst erforderlich sind. Gravitationsunterstützung durch Planetenvorbeiflüge kann jedoch den Energiebedarf für das Erreichen von Jupiter erheblich verringern.

Flyby-Missionen

Ab 1973 führten mehrere Raumsonden planetarische Vorbeiflugmanöver durch und positionierten sie in der Beobachtungsnähe von Jupiter. Die Pioneer-Missionen lieferten die ersten Nahaufnahmen der Jupiteratmosphäre und mehrerer seiner Satelliten. Diese Missionen enthüllten unerwartet intensive Strahlungsfelder in der Nähe des Planeten; Dennoch operierten beide Raumsonden erfolgreich in dieser herausfordernden Umgebung. Die Flugbahnen dieser Sonden wurden anschließend genutzt, um die Präzision von Massenschätzungen für das Jupitersystem zu verbessern. Darüber hinaus ermöglichten Radiobedeckungsereignisse, an denen der Planet beteiligt war, verbesserte Messungen des Jupiterdurchmessers und seiner Polabflachung.

Sechs Jahre später brachten die Voyager-Missionen das Verständnis der Galileischen Monde erheblich voran und führten zur Entdeckung des Jupiterringsystems. Diese Missionen bestätigten auch die antizyklonische Natur des Großen Roten Flecks. Eine vergleichende Analyse der Bilder ergab, dass sich die Färbung des Spots seit den Pioneer-Missionen verändert hatte und von Orange zu einem dunkelbraunen Farbton überging. Darüber hinaus wurde entlang der Umlaufbahn von Io ein Torus aus ionisierten Atomen identifiziert, dessen Ursprung auf aktive Vulkane auf der Mondoberfläche zurückgeführt wird. Während des Transits der Raumsonde hinter dem Planeten wurden Blitze in der Nachtatmosphäre beobachtet.

Die anschließende Mission zur Begegnung mit Jupiter war die Sonnensonde Ulysses. Im Februar 1992 führte es ein Vorbeiflugmanöver durch, um eine polare Umlaufbahn um die Sonne zu erreichen. Während dieses Transits untersuchte die Raumsonde die Magnetosphäre des Jupiter, obwohl es an fotografischen Fähigkeiten für den Planeten selbst mangelte. Sechs Jahre später führte die Sonde einen weiteren Vorbeiflug am Jupiter durch, wenn auch in deutlich größerer Entfernung.

Im Jahr 2000 führte die Cassini-Sonde einen Vorbeiflug am Jupiter auf dem Weg zum Saturn durch und lieferte Bilder mit höherer Auflösung.

Die New Horizons-Sonde führte 2007 einen Vorbeiflug am Jupiter durch und nutzte dabei eine Schwerkraftunterstützung für ihre Flugbahn in Richtung Pluto. Die Bordkameras der Sonde quantifizierten die Plasmaemissionen der Vulkane von Io und führten detaillierte Untersuchungen aller vier Galileischen Monde durch.

Galileo Mission

Die Galileo-Mission markierte mit ihrer Ankunft am 7. Dezember 1995 die erste Raumsonde, die eine Umlaufbahn um Jupiter erreichte. Sie behielt ihre Orbitpräsenz mehr als sieben Jahre lang bei und führte zahlreiche Vorbeiflüge an allen Galileischen Monden und Amalthea durch. Diese Raumsonde beobachtete auch den Einschlag des Kometen Shoemaker-Levy 9 mit Jupiter im Jahr 1994. Bestimmte Missionsziele wurden jedoch durch eine Fehlfunktion in der Hochleistungsantenne von Galileo beeinträchtigt.

Eine 340 Kilogramm schwere atmosphärische Sonde aus Titan wurde im Juli 1995 von der Raumsonde aus eingesetzt und drang anschließend am 7. Dezember in die Atmosphäre des Jupiter ein. Diese Sonde sank per Fallschirm mit etwa 2.575 km/h (1.600 mph) durch 150 km (93 Meilen) der Atmosphäre hinab und sammelte 57,6 Minuten lang Daten, bevor sie zerstört wurde. Der Galileo-Orbiter selbst erlebte ein ähnliches, wenn auch schnelleres Ende, als er am 21. September 2003 absichtlich auf den Planeten gerichtet wurde. Die NASA orchestrierte die Zerstörung des Raumschiffs, um einen möglichen Aufprall auf den Mond Europa, einen Himmelskörper, der vermutlich Leben beherbergt, und dessen anschließende Kontamination auszuschließen.

Missionsdaten zeigten, dass Wasserstoff bis zu 90 % der atmosphärischen Zusammensetzung des Jupiter ausmacht. Die aufgezeichneten Temperaturen überstiegen 300 °C (572 °F) und die Windgeschwindigkeiten überstiegen 644 km/h (>400 mph), bevor die Sonden verdampften.

Juno Mission

Die Juno-Mission der NASA nahm am 4. Juli 2016 ihren Betrieb am Jupiter auf, mit dem Ziel, detaillierte Studien des Planeten aus einer polaren Umlaufbahn durchzuführen. Ursprünglich war geplant, dass die Raumsonde über einen Zeitraum von zwanzig Monaten siebenunddreißig Umlaufbahnen durchführt. Während ihrer gesamten Mission ist die Raumsonde starker Strahlung aus der Magnetosphäre des Jupiter ausgesetzt, was möglicherweise zu Fehlfunktionen des Instruments führen kann. Am 27. August 2016 schloss die Raumsonde ihren ersten Vorbeiflug am Jupiter ab und übermittelte die ersten Bilder von Jupiters Nordpol.

Juno führte zwölf Umlaufbahnen durch, bevor im Juli 2018 der ursprünglich budgetierte Missionsplan abgeschlossen wurde. Anschließend verlängerte die NASA im Juni 2018 die Betriebsphase bis Juli 2021. Weitere Verlängerungen erfolgten im Januar 2021, als die Mission eine Verlängerung bis September erhielt 2025, mit vier Mondvorbeiflügen: einer an Ganymed, einer an Europa und zwei an Io. Nach Abschluss seiner Mission ist Juno so programmiert, dass er eine kontrollierte Umlaufbahn durchführt, die zu seinem Zerfall in der Jupiteratmosphäre führt und so das Risiko eines Aufpralls und einer möglichen Kontamination der natürlichen Satelliten des Jupiter verringert.

Abgebrochene Missionen und zukünftige Initiativen

Es besteht ein erhebliches wissenschaftliches Interesse an Missionen zur Erforschung der größeren Eismonde des Jupiters, von denen angenommen wird, dass sie unterirdische flüssige Ozeane beherbergen. Finanzielle Engpässe behinderten den Fortschritt und führten 2005 zur Annullierung des JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter) der NASA. Anschließend wurde eine gemeinsame NASA/ESA-Mission mit der Bezeichnung EJSM/Laplace vorgeschlagen, deren vorläufiges Startfenster für etwa 2020 geplant war. Die EJSM/Laplace-Architektur hätte den von der NASA geführten Jupiter Europa Orbiter und den von der ESA geführten Jupiter umfasst Ganymed-Orbiter. Dennoch beendete die ESA die Partnerschaft im April 2011 offiziell und führte die Entscheidung auf die Haushaltsprobleme der NASA und deren Auswirkungen auf den Zeitplan der Mission zurück. Aus diesem Grund entschied sich die ESA für eine ausschließlich europäische Mission, um an der Auswahl ihres L1-Programms „Cosmic Vision“ teilzunehmen. Diese strategischen Pläne wurden verwirklicht, als der Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) der Europäischen Weltraumorganisation am 14. April 2023 startete, gefolgt von der NASA-Mission Europa Clipper, die am 14. Oktober 2024 gestartet wurde.

Zusätzliche geplante Missionen umfassen die Mission Tianwen-4 der chinesischen Nationalen Raumfahrtbehörde, die darauf abzielt, einen Orbiter zum Jupitersystem zu stationieren, möglicherweise auch Callisto, etwa 2035. Darüber hinaus sind der Interstellar Express des CNSA und die Interstellar Probe der NASA so konzipiert, dass sie Jupiters Gravitationsunterstützung für ihre Flugbahnen zu den äußeren Grenzen der Heliosphäre nutzen.

Kulturelle Bedeutung

Der Planet Jupiter ist seit der Antike bekannt. Es ist mit bloßem Auge am Nachthimmel erkennbar und kann auch tagsüber beobachtet werden, wenn die Sonne nahe am Horizont steht. Für die Babylonier symbolisierte Jupiter Marduk, die herausragende Gottheit ihres Pantheons während der Hammurabi-Ära. Seine etwa 12-jährige Umlaufzeit entlang der Ekliptik wurde von ihnen genutzt, um die Sternbilder ihres Tierkreises abzugrenzen.

In der griechischen Mythologie wird der Planet als Zeus (Ζεύς) identifiziert, alternativ auch als Dias (Δίας) bekannt, eine Nomenklatur, die im heutigen Griechisch für den Planeten erhalten bleibt. Die alten Griechen bezeichneten den Planeten als Phaethon (Φαέθων), ein Begriff, der „leuchtender“ oder „lodernder Stern“ bedeutet. Die griechischen Mythen aus der homerischen Zeit über Zeus wiesen bemerkenswerte Parallelen zu bestimmten Gottheiten des Nahen Ostens auf, etwa dem semitischen El und Baal, dem sumerischen Enlil und dem babylonischen Gott Marduk. Diese planetarische Verbindung mit der griechischen Gottheit Zeus geht auf Einflüsse des Nahen Ostens zurück und wurde im vierten Jahrhundert v. Chr. fest etabliert, wie in Platons Epinomis und den Schriften seiner Zeitgenossen bewiesen wird.

Jupiter, die römische Gottheit, dient als Gegenstück zum griechischen Zeus und nimmt die Position des Hauptgottes in der römischen Mythologie ein. Ursprünglich bezeichneten die Römer Jupiter als „Jupiterstern“ (Iuppiter Stella) und betrachteten ihn als heilig für den Gott, nach dem er benannt wurde. Die Etymologie dieses Namens geht auf die protoindogermanische Vokativverbindung *Dyēu-pəter (mit der Nominativform *Dyēus-pətēr) zurück, die übersetzt „Vater Himmelsgott“ oder „Vatertagsgott“ bedeutet. Als höchste Gottheit des römischen Pantheons herrschte Jupiter über Donner, Blitze und Stürme und wurde auch als Gott des Lichts und des Himmels verehrt.

In der vedischen Astrologie bezeichneten hinduistische Astrologen den Planeten als „Guru“, was „Lehrer“ bedeutet, als Hommage an Brihaspati, den göttlichen Lehrer der Götter. Die zentralasiatische türkische Mythologie bezeichnet Jupiter als Erendiz oder Erentüz, eine Nomenklatur, die von eren (dessen Bedeutung unbestimmt bleibt) und yultuz, was „Stern“ bedeutet, abgeleitet ist. Türkische Astronomen berechneten die Umlaufzeit des Jupiter auf 11 Jahre und 300 Tage und postulierten einen Zusammenhang zwischen bestimmten gesellschaftlichen und natürlichen Phänomenen und den Himmelsbewegungen von Erentüz. In Anlehnung an das chinesische Fünf-Elemente-System identifizierten die chinesische, japanische, koreanische und vietnamesische Kultur ihn gemeinsam als „Holzstern“ (Chinesisch: 木星; Pinyin: mùxīng). Anschließend erhielt er in China die Bezeichnung „Jahresstern“ (Chinesisch: 歲星; Pinyin: suìxīng), eine Bezeichnung, die sich aus den Beobachtungen chinesischer Astronomen ergibt, dass er mit regelmäßigen Anpassungen jährlich ein Sternbild des Tierkreises durchquerte. Darüber hinaus weisen bestimmte alte chinesische Texte darauf hin, dass Jahre grundsätzlich nach den Sternzeichen des Jupiter benannt wurden.

Notizen

Notizen

Referenzen

Bagenal, Fran; Dowling, Timothy E.; McKinnon, William B. (2006). Jupiter: Der Planet, Satelliten und Magnetosphäre. Cambridge University Press. ISBN 978-0-52-103545-3, zugänglich über Google Books.

• Bagenal, Fran; Dowling, Timothy E.; McKinnon, William B. (2006). Jupiter: Der Planet, Satelliten und Magnetosphäre. Cambridge University Press. ISBN 978-0-52-103545-3 – über Google Books.Lohninger, Hans; et al. (2. November 2005). „Jupiter, As Seen By Voyager 1.“ Eine Reise ins All. Virtual Institute of Applied Science.
  • Jupiter-Übersicht vom Science Mission Directorate der NASA
  • Simulation der 62 Jupitermonde von Tony Dunns Gravity Simulator-Website.
  • Interaktive 3D-Schwerkraftsimulation des Jupitersystems.
  • „Jupiter“ – In Our Time, BBC Radio 4
  • Animation auf YouTube des Vorbeiflugs der Raumsonde Juno an Ganymed und Jupiter durch die NASA.