Historisk, har de store afstande mellem Jorden og kæmpeplaneterne, gjort dem vanskelige objekter til videnskabelig undersøgelse. Rumsonder og mere kraftfulde jordbaserede instrumenter, blev udviklet i de sidste årtier af det 20. århundrede. Stor forøgelse af viden, kom fra nærbilleder fra NASAs planetariske sonder: Pioneer, Voyager, Galileo, Cassini og New Horizons. Der er gået noget tid, siden det seneste besøg hos Uranus og Neptun, der blev lavet af Voyager 2, i henholdsvis 1986 og 1989. Heldigvis, har moderne instrumenter på det jordbaserede teleskoper, samt Hubble, Spitzer og Herschel, givet os nyt indblik i disse fjerne planeters sammensætning og fysiske struktur.
Kæmpeplaneterne er store og massive
Jupiter er den største af de otte planeter; mere end 1/10 og Solens diameter, og mere end 11 gange Jordens diameter. Saturn er kun lidt mindre end Jupiter, med en diameter på 9,5 gange Jordens. Uranus og Neptun, er hver omkring 4 gange Jordens diameter i størrelse, hvor Neptun er den lidt mindre af de to. Figur 9.3, sammenligner de faktiske relative diametre på kæmpeplaneterne, med deres relative tilsyneladende diametre set fra Jorden. Planetdiametre, måles mest nøjagtigt, under stjerneformørkelser, hvor planeten passerer ind foran en stjerne (se figur 9.4). For eksempel, hvis Newtons love siger, at en bestemt planet bevæger sig med en hastighed på præcis 25 km/s i forhold til Jorden, og denne planet er præcis 2.000 sekunder om at passere ind foran en stjerne, så har planeten en diameter svarende til den afstand som den bevægede sig på de 2.000 sekunder, eller 50.000 km. Centrum af en planet, går dog sjældent direkte ind foran en stjerne, men astronomer kan beregne både planetens diameter og dens form, ud fra observationer foretaget på flere vidt adskilte steder. Formørkelser af radiosignaler sendt fra rumsonder i kredsløb, og billeder taget af rumsondernes kameraer, giver også nøjagtige målinger af planeternes diametre og former, samt deres måner
Kæmpeplaneterne består af overvældende 99,5 procent af al den ikke-solare masse i Solsystemet. Alle andre Solsystem-objekter – terrestriske planeter, dværgplaneter, måner, asteroider og kometer – udgør kun de resterende 0,5 procent. Selvom Jupiter kun er omkring en tusindedel så massiv som Solen, er den stadig 318 gange så massiv som Jorden og 3,3 gange så massiv som Saturn, der er den nærmeste rival. Jupiter indeholder faktisk mere end to gange massen af alle de andre planeter tilsammen. Uranus og Neptun er letvægterne blandt kæmpeplaneterne, men de er hver især cirka 15 gange så massive som Jorden.
Hvordan måles en planets masse? I kapitel 3 lærte du, hvordan en planets tyngdetiltrækning påvirker bevægelsen af et nærtliggende lille objekt, som for eksempel en af dens måner, eller et passerende rumfartøj. Det lille objekts bevægelse, kan nøjagtigt forudsiges ud fra planetens masse ved hjælp af Newtons tyngdelov og Keplers tredje lov. Denne fremgangsmåde, kan omvendt bruges til at beregne en planets masse, ved at iagttage det lille objekts bevægelse. Før rumalderen, blev en planets masse målt ved at observere dens måners bevægelse. Rumsonder, har nu gjort det muligt, at måle planeternes masser med enestående nøjagtighed. Som en rumsonde flyver forbi, trækker planetens tyngdekraft i sonden, og ændrer dens bane. Sporing og sammenligning af rumsondens radiosignaler, giver et meget præcist mål for planetens masse.
Kun atmosfærer observeres, ikke overflader
Kæmpeplaneterne består hovedsageligt af gasser og væsker. Den karakteristiske struktur af den forholdsvis tynde atmosfære, smelter sammen med et dybt flydende ”hav”, der igen smelter sammen med en tættere væske eller en fast kerne. Der er ikke nogen pludselig overgang fra atmosfæren til den faste overflade, som den der findes på de terrestriske planeter. Selv om de er tynde, i forhold til dybden af de flydende lag under atmosfæren, er kæmpeplaneternes atmosfærer stadig meget tykkere end de terrestriske planeters atmosfærer – de er tusinder af kilometer frem for hundreder. Som det er tilfældet med Venus, kan kun de højeste niveauer af gaskæmpernes atmosfærer ses. I tilfældet med Jupiter og Saturn, dækker det øverste lag af tykke skyer, de dybere lag. Der er kun meget få tynde skyer på Uranus. Atmosfæriske modeller indikerer, at tykke skylag ligger nedenunder, men stærk spredning af sollyset fra molekyler i den skyløse del af atmosfæren, dækker for disse nedre skylag. Neptun, udviser nogle få høje skyer, med en dyb klar atmosfære som kan ses mellem dem.
Kemisk sammensætning af kæmpeplaneterne
I kapitel 7 så vi, at de terrestriske planeter hovedsageligt består af klipperige mineraler, som for eksempel silikater, sammen med forskellige mængder af jern og andre metaller. Masserne på de terrestriske planeters atmosfærer – og endda Jordens oceaner – er ubetydelige i forhold til deres samlede planetmasser. De terrestriske planeter, er de objekter i Solsystemet med de største massefylder, der spænder fra 3,9 til 5,5 gange vands massefylde.
Til sammenligning, har kæmpeplaneterne en meget lille brøkdel af klippe og metal. De består næsten udelukkende af mindre tætte materialer, som for eksempel hydrogen, helium og vand. Følgelig er deres samlede massefylder meget lavere end dem for de klippe- og metalholdige terrestriske planeter. Neptun, er den mest kompakte blandt kæmpeplaneterne, og har en massefylde på 1,6 gange vands massefylde. Saturn, er den mindst kompakte – kun 0,7 gange vands massefylde. Dette betyder, at Saturn faktisk ville flyde med kun 70 procent af dens volumen nedsænket, hvis man kunne smide Saturn i et kæmpemæssigt bassin med vand. Jupiter og Uranus har massefylder, der ligger mellem dem for Saturn og Neptun.
Den kemiske sammensætning af kæmpeplaneternes atmosfærer, bestemmes primært ved spektroskopi. Densitetsmodeller er nødvendige for forståelsen sammensætningerne dybt i planeternes kerner. Astronomer er interesseret i forskelle i sammensætningen, fordi disse forskelle er spor til Jordens tilblivelse og historie. Disse observationer, bruger den relative overflod af grundstoffer i Solen som standardreference. Som illustreret i figur 9.5, er hydrogen (H) det grundstof der er mest af i Solen, efterfulgt af helium (He).
Jupiters kemiske sammensætning, er meget lig den der er i Solen. Jupiter har omkring et dusin hydrogenatomer for hvert heliumatom, hvilket er typisk for Solen og universet som helhed. Kun 2 procent af Jupiters masse består af det, som astronomer kalder tunge grundstoffer (atomer der er mere massive end helium). Mange af disse tunge grundstoffer er kombineret kemisk med hydrogen (H). For eksempel kombinerer atomer af oxygen (O), kulstof (C), nitrogen (N) og svovl (S) sig med hydrogen for at danne molekyler af vand (H2O), metan (CH4), ammoniak (NH4) og hydrogensulfid (H2S). Mere komplekse kombinationer danner stoffer som ammoniumhydrosulfid (NH4HS). Helium – og visse andre gasser som for eksempel neon og argon – er ædelgasser, hvilket betyder, at de normalt ikke indgår forbindelser med andre grundstoffer end dem selv. Størstedelen af jernet – resterne af den oprindelige klippeplanet, omkring hvilken kæmpen voksede – og meget af vandet, er endt i Jupiters flydende kerne.
Kæmpeplaneternes kemiske sammensætninger varierer. Proportionalt, har Saturn en større andel af tunge elementer, end Jupiter. På Uranus og Neptun, er tunge grundstoffer så rigelige, at de udgør en stor del af sammensætningen af disse to planeter. Metan er et særligt vigtigt molekyle i Uranus’ og Neptuns atmosfærer, hvilket er det der giver disse deres karakteristiske farve. De vigtigste forskelle i sammensætningen hos de fire kæmpeplaneter, ligge i mængden af hydrogen og helium, som hver af dem indeholder. Dette er et vigtigt led i, at forstå hvordan kæmpeplaneterne dannedes.
Dage og årstider på kæmpeplaneterne
Et andet kendetegn ved kæmpeplaneterne, er deres hurtige rotation; deres dage er korte og varer fra 10 til 17 timer. Kæmpeplaneternes hurtige rotation, forvrænger deres former. Hvis de slet ikke roterede, ville disse væskelegemer være fuldstændig sfæriske. Hurtigt roterende planeter buler ud ved ækvator og har et overordnet fladt udseende. Dette kaldes planetens udfladning, og udtrykkes som en brøkdel af, hvor flad kuglen er – det vil sige forskellen mellem en planets ækvatoriale radius ( ) og dens polarradius ( ), divideret med dens ækvatoriale radius. En perfekt kugle, har en udfladning på 0, mens en flad skive, har en udfladning på 1. Saturns udfladning er særlig tydelig, fordi dens ækvatoriale diameter er næsten 10 procent større end dens polare diameter (se figur 9.3 og tabel 9.1). Til sammenligning, er Jordens udfladning kun 0,3 procent.
En planets hældning – hældningen af dens akse i forhold til dens omløbsplan – er en vigtig faktor ved bestemmelse af årstidernes fremtrædende betydning (hvis du husker fra kapitel 2, så er det Jordens hældning på 23,5º, der er ansvarlig for de forskellige årstider på Jorden). Kæmpeplaneternes hældninger, er vist i tabel 9.1. Med en hældning på kun 3º, har Jupiter næsten ingen årstider. Hældningen på Saturns og Neptuns akser, er lidt større den for Jorden og Mars. Som et resultat heraf, har disse to kæmpeplaneter moderate, men veldefinerede årstider. Ejendommeligt nok, roterer Uranus omkring en akse, der ligger næsten i samme plan som omløbsplanet. Set fra Jorden, ser planeten ud til enten at rotere direkte omkring retningen af jorden, eller at rulle afsted på siden (eller noget der imellem), alt efter hvor Uranus tilfældigvis befinder sig i sit kredsløb.
Uranus’ hældning er 98º. En hældning større end 90º indikerer, at planeten roterer i retning med uret, når den ses fra oven i dens omløbsplan. Venus, Pluto, Plutos måne Charon og Neptuns måne Triton, er de eneste andre store objekter, der er kendt for at opføre sig på denne måde. Uranus’ store hældning, forårsager at årstiderne er ekstreme, idet hver polarregion skiftevis oplever 42 års kontinuerligt solskin, efterfulgt af 42 års totalt mørke. I gennemsnit over et helt kredsløb, modtager polerne mere sollys end ækvator – en situation som er helt anderledes i forhold til enhver anden planet. Hvorfor har Uranus en hældning der er så forskellig fra de andre planeters? En mulig forklaring er, at planeten er blevet ”væltet” om på siden, på grund af et nedslag fra en stor eller flere små planetesimaler, i slutningen af dens tilvækstsfase.