Jupiter er opptil 9 % rock og metall, noe som betyr at den spiste mange planeter i ungdommen


Jupiter består nesten utelukkende av hydrogen og helium. Mengdene av hver samsvarer nøye med de teoretiske mengdene i den opprinnelige soltåken. Men den inneholder også andre tyngre grunnstoffer, som astronomer kaller metaller. Selv om metaller er en liten komponent av Jupiter, forteller deres tilstedeværelse og distribusjon astronomer mye.

Ifølge en ny studie betyr Jupiters metallinnhold og distribusjon at planeten spiste mange steinete planetesimaler i ungdommen.

Helt siden NASAs Juno-romfartøy nådde Jupiter i juli 2016 og begynte å samle inn detaljerte data, har det forvandlet vår forståelse av Jupiters dannelse og utvikling. En av oppdragets funksjoner er Tyngdekraftsvitenskap instrument. Den sender radiosignaler frem og tilbake mellom Juno og Deep Space Network på jorden. Prosessen måler Jupiters gravitasjonsfelt og forteller forskerne mer om planetens sammensetning.

Da Jupiter ble dannet, begynte den med å samle steinete materiale. Det fulgte en periode med rask gasstilfang fra soltåken, og etter mange millioner år ble Jupiter den giganten den er i dag. Men det er et betydelig spørsmål angående den første perioden med steinete tilvekst. Har det samlet større masser av bergarter som planetesimaler? Eller har det dannet materiale på størrelse med småstein? Avhengig av svaret ble Jupiter dannet på forskjellige tidsskalaer.

NASAs romfartøy Juno fanget dette synet av Jupiter under oppdragets 40. nærpassering av den gigantiske planeten 25. februar 2022. Den store, mørke skyggen på venstre side av bildet ble kastet av Jupiters måne Ganymedes. Bildedata: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS Bildebehandling av Thomas Thomopoulos

En ny studie forsøkte å svare på det spørsmålet. Den har tittelen “Jupiters inhomogen konvolutt“, og den er publisert i tidsskriftet Astronomy and Astrophysics. Hovedforfatteren er Yamila Miguel, assisterende professor i astrofysikk ved Leiden Observatorium & Nederlandsk institutt for romforskning.

Vi blir vant til nydelige bilder av Jupiter takket være Juno-romfartøyets JunoCam. Men det vi ser er bare huden dypt. Alle de trollbindende bildene av skyene og stormene er bare det tynne 50 km (31 miles) ytterste laget av planetens atmosfære. Nøkkelen til Jupiters dannelse og utvikling er dypt begravd i planetens atmosfære, som er titusenvis av kilometer dyp.

Juno-oppdraget hjelper oss å sette sammen en bedre forståelse av Jupiters mystiske indre.  Bilde: Av Kelvinsong - Eget arbeid, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31764016
Juno-oppdraget hjelper oss å sette sammen en bedre forståelse av Jupiters mystiske indre. Bilde: Av Kelvinsong – Eget arbeid, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31764016

Det er allment akseptert at Jupiter er den eldste planeten i solsystemet. Men forskere vil vite hvor lang tid det tok å danne seg. Avisens forfattere ønsket å undersøke metallene i planetens atmosfære ved å bruke Junos Gravity Science-eksperiment. Tilstedeværelsen og distribusjonen av småstein i planetens atmosfære spiller en sentral rolle for å forstå Jupiters dannelse, og Gravity Science-eksperimentet målte spredning av småstein i hele atmosfæren. Før Juno og dets Gravity Science-eksperiment var det ingen presise data om Jupiters gravitasjonsharmoniske.

Forskerne fant at Jupiters atmosfære ikke er så homogen som tidligere antatt. Flere metaller er nær planetens sentrum enn i de andre lagene. Til sammen utgjør metallene mellom 11 og 30 jordmasser.

Med data i hånden konstruerte teamet modeller av Jupiters indre dynamikk. “I denne artikkelen setter vi sammen den mest omfattende og mangfoldige samlingen av Jupiter-interiørmodeller til dags dato og bruker den til å studere fordelingen av tunge elementer i planetens konvolutt,” skriver de.

Teamet laget to sett med modeller. Det første settet er 3-lags modeller og det andre er fortynnede kjernemodeller.

Forskerne laget to kontrasterende typer modeller av Jupiter. 3-lagsmodellene inneholder mer distinkte regioner, med en indre kjerne av metaller, en midtre region dominert av metallisk hydrogen, og et ytre lag dominert av molekylært hydrogen (H2.) I de fortynnede kjernemodellene er den indre kjernes metaller blandet inn i midtområdet, noe som resulterer i en fortynnet kjerne.

“Det er to mekanismer for at en gassgigant som Jupiter kan tilegne seg metaller under dannelsen: gjennom akkresjon av små rullesteiner eller større planetesimaler,” sa hovedforfatter Miguel. “Vi vet at når en babyplanet er stor nok, begynner den å skyve ut småstein. Rikdommen av metaller inne i Jupiter som vi ser nå er umulig å oppnå før det. Så vi kan utelukke scenariet med bare småstein som faste stoffer under Jupiters dannelse. Planetesimaler er for store til å bli blokkert, så de må ha spilt en rolle.»

Overfloden av metaller i Jupiters indre avtar med avstanden fra sentrum. Det betyr mangel på konveksjon i planetens dype atmosfære, som forskerne trodde var til stede. “Tidligere trodde vi at Jupiter har konveksjon, som kokende vann, noe som gjør den fullstendig blandet,” sa Miguel. “Men funnene våre viser annerledes.”

“Vi demonstrerer kraftig at overfloden av tunge elementer ikke er homogen i Jupiters konvolutt,” skriver forfatterne i papiret. “Våre resultater antyder at Jupiter fortsatte å samle tunge grunnstoffer i store mengder mens hydrogen-helium-konvolutten vokste, i motsetning til spådommer basert på rullesteinsisolasjonsmassen i sin enkleste inkarnasjon, og favoriserte i stedet planetesimalbaserte eller mer komplekse hybridmodeller.”

Kunstnerisk gjengivelse av en protoplanet som dannes innenfor akkresjonsskiven til en protostjerne Kreditt: ESO/L.  Calçada http://www.eso.org/public/images/eso1310a/
Kunstnerisk gjengivelse av en protoplanet som dannes innenfor akkresjonsskiven til en protostjerne Kreditt: ESO/L. Calçada http://www.eso.org/public/images/eso1310a/

Forfatterne konkluderer også med at Jupiter ikke blandet seg ved konveksjon etter at den ble dannet, selv da den fortsatt var ung og varm.

Teamets resultater strekker seg også til studiet av gassformige eksoplaneter og forsøk på å bestemme deres metallisitet. “Vårt resultat … gir et grunnleggende eksempel for eksoplaneter: en ikke-homogen konvolutt innebærer at metallisiteten som observeres er en nedre grense for planetens bulkmetallisitet.”

I Jupiters tilfelle var det ingen måte å bestemme metallisiteten på avstand. Først da Juno ankom kunne forskere måle metallisiteten indirekte. “Derfor kan metallisiteter utledet fra fjerntliggende atmosfæriske observasjoner i eksoplaneter kanskje ikke representere planetens hovedmetallisitet.”

Når James Webb-romteleskopet starter vitenskapelige operasjoner, er en av oppgavene å måle eksoplanetatmosfærer og bestemme deres sammensetning. Som dette arbeidet viser, kan det hende at dataene Webb gir ikke fanger opp hva som skjer i de dypere lagene av gigantiske gassplaneter.

Mer: