Спутник камерами зонда Галилео в 1997 году

Спутник Юпитера Ганимед является крупнейшим спутником в нашей Солнечной системе. Он больше, чем Меркурий и Плутон, его диаметр составляет три четверти диаметра Марса. Если бы он вращался вокруг Солнца, а не по орбите вокруг Юпитера, он бы легко был классифицирован как планета.

Ганимед, состоит из трех основных слоев. Металлическое железное ядро в центре (оно генерирует магнитное поле), сферическая оболочка — мантия, окружающая ядро и ледяная кора. Ледяная оболочка снаружи очень толстая, шириной примерно 800 км. Хотя поверхность спутника это в основном лед, он может содержать некоторое количество каменных пород. Магнитное поле находится внутри магнитосферы массивного Юпитера.

Изображение с расстояния около 70 000 км.

Характеристика

Дата открытия 1610 год
Масса 1.48 10*23 кг.
Экваториальный радиус 2631 км.
Средняя плотность 1,94 г/см3
Среднее расстояние до Юпитера 1,07 млн. км.
Период вращения 7.154553 дней
Средняя орбитальная скорость 10.88 км/сек
Эксцентриситет орбиты 0,002
Наклонение орбиты 0,195 градусов
Вторая космическая скорость 2,74 км/сек
Геометрическое альбедо 0,42

Астрономы, использующие космический телескоп Хаббл, обнаружили тонкую атмосферу из кислорода в 1996 году. Атмосфера слишком тонкая, чтобы поддерживать жизнь, тем более на нем весьма холодно.

Рельеф поверхности

Космические фотографии Ганимеда показывают, что луна имеет сложную геологическую историю. Ландшафт представляет собой смесь двух типов местности. Сорок процентов покрыто кратерами и темными участками, а остальные шестьдесят процентов покрыто светлым рельефом, который образует сложные узоры.

Изображение с расстояния примерно 4500 км

Геологический термин «борозда», часто используется для описания особенности поверхности. Эти борозды, вероятно, образованы разломами или выбросами воды из-под земли. Хребты достигают высоту семьсот метров и тянутся на тысячи километров. Темные области — старые и грубые, и считаются нетронутыми участками коры.

Крупные кратеры почти не возвышаются и довольно плоские. У них нет центральной впадины, характерной для кратеров на Луны. Это, вероятно, из-за медленного и постепенного движения мягкой ледяной поверхности. Вокруг кратеров существуют яркие и темные лучи выбросов.

Открытие спутника

Эта крупнейшая луна была открыта Галилео Галилеем 7 января 1610 года. Наряду с тремя другими лунами Юпитера, это был первый раз, когда спутник был обнаружен вокруг другой планеты. Открытие четырех key Галилея, в конечном итоге, привели к пониманию, что планеты в нашей Солнечной системе вращаются по орбите вокруг Солнца.

Спутник Ганимед — самый выдающийся объект из свиты Юпитера. Газовый гигант среди планет, он и среди лун Солнечной системы выделяется размерами. По диаметру Ганимед опережает даже Меркурий и Плутон. Однако не только из-за своих размеров приковывает взоры исследователей. Многие параметры делают его исключительно интересным объектом для астрофизиков: магнитное поле, рельеф, внутреннее строение. Кроме того, Ганимед — спутник, на котором теоретически может существовать жизнь.

Открытие

Официальной датой открытия считается 7 января 1610 года. В этот день на Юпитер направил свой телескоп (первый в истории) Галилео Галилей. Он обнаружил четыре спутника у газового гиганта: Ио, Европу, Ганимед и Калисто. Примерно за год до этого те же объекты наблюдал Симон Марий, астроном из Германии. Однако он не обнародовал вовремя полученные данные.

Привычные названия космическим телам дал именно Симон Марий. Галилей же обозначил их как «планеты Медичи» и каждому присвоил порядковый номер. Называть спутники Юпитера именами героев греческих мифов стали фактически только с середины прошлого века.

Все четыре космических тела также обозначаются как «галилеевы спутники». Особенностью Ио, Европы и Ганимеда является то, что они вращаются с орбитальным резонансом 4:2:1. За то время, пока крупнейший из четверки облетает Юпитер, Европа успевает сделать 2, а Ио — четыре оборота.

Особенности

Спутник Ганимед действительно поражает своими размерами. Его диаметр составляет 5262 км (для сравнения: аналогичный параметр Меркурия оценивается в 4879,7 км). По тяжести он в два раза превосходит Луну. При этом масса Ганимеда уступает меркурианской больше чем в два раза. Причина этого кроется в низкой плотности объекта. Она лишь в два раза превышает величину такой же характеристики у воды. И это один из поводов считать, что вещество, необходимое для зарождения жизни, на Ганимеде присутствует, причем в достаточно большом количестве.

Поверхность

Ганимед — спутник Юпитера, некоторыми своими особенностями напоминающий Луну. Например, здесь есть кратеры, оставшиеся от упавших метеоритов. Их возраст оценивается примерно в 3-3,5 млрд лет. Аналогичные следы прошлого в изобилии присутствуют и на лунной поверхности.

На Ганимеде можно выделить два типа рельефа. Темные области, обильно покрытые кратерами, считаются более древними. С ними соседствуют «молодые» участки поверхности, светлые и усеянные грядами и выемками. Последние, по мнению ученых, образовались как результат тектонических процессов.

Строение коры спутника, возможно, напоминает аналогичную структуру на Земле. представляющие собой на Ганимеде крупные куски льда, могли в прошлом двигаться и сталкиваться, формируя разломы и горы. Это предположение подтверждается и обнаруженными застывшими потоками древней лавы.

Вероятно, светлые борозды более молодых участков спутника образовались в результате расхождения плит, заполнения разломов вязким веществом, находящимся под корой, и дальнейшего восстановления поверхностного льда.

Темные области покрыты веществом, имеющим метеоритное происхождение либо формирующимся в результате испарения молекул воды. Под его тонким покровом располагается, по мнению исследователей, чистый лед.

Недавнее открытие

В апреле этого года была обнародована информация об открытии двух ученых из США. На экваторе спутника Ганимед они обнаружили большую выпуклость. Образование своим размером сравнимо с Эквадором и по высоте достигает половины

Возможной причиной возникновения такой особенности рельефа считается дрейф поверхностного льда с одного из полюсов к экватору. Происходить такое перемещение может в случае, если под корой Ганимеда располагается океан. Его существование давно обсуждается в научном мире, а новое открытие может послужить дополнительным доказательством теории.

Внутреннее строение

Водяной лед, по мнению астрофизиков, в большом количестве встречается в недрах, — еще одна особенность, характеризующая Ганимед. Самый крупный из спутников Юпитера имеет три внутренних слоя:

расплавленное ядро, состоящее либо только из металла, либо из металла и сернистых примесей;

мантия, состоящая из горных пород;

слой льда в 900-950 км толщиной.

Возможно, между льдом и мантией располагается прослойка из жидкой воды. В этом случае она характеризуется температурой ниже нуля, но не замерзает благодаря высокому давлению. Толщина слоя оценивается в несколько километров, залегает он на глубине 170 км.

Магнитное поле

Спутник Ганимед не только тектоникой напоминает Землю. Еще одной примечательной его характеристикой является мощное магнитное поле, сравнимое с аналогичным формированием нашей планеты. Ученые предполагают, что у такого явления в случае Ганимеда может быть только две причины. Первая — это расплавленное ядро. Вторая — слой соленой жидкости, хорошо проводящей электричество, под ледяной коркой спутника.

В пользу последнего предположения говорят данные аппарата «Галилео», а также недавние исследования Ганимеда. Юпитер вносит разлад в спутника. Как удалось установить во время изучения полярного сияния, их величина значительно ниже ожидаемой. Вероятная причина отклонений — жидкий подповерхностный океан. Его толщина может составлять до 100 км. В такой прослойке должно содержаться больше воды, чем на всей поверхности Земли.

Такие теории дают возможность серьезно обдумывать вероятность того, что Ганимед — спутник, где есть жизнь. Возможность этого косвенно подтверждает обнаружение организмов на Земле в условиях, казалось бы, мало к ней пригодных: в термальных источниках, на глубине океана при практически полном отсутствии кислорода и так далее. Пока спутник Ганимед признается вероятным кандидатом на обладание Так ли это, смогут установить лишь новые полеты межпланетных станций.

Ганимед, самый большой спутник Юпитера, был найден великим итальянским астрономом Г. Галилеем в 1610 году, одновременно с тремя своими собратьями. С тех пор 4 небесных тела называют «лунами Галилея».

Претендентом на открытие выступал и немецкий ученый С. Марий. Он утверждал, что нашел спутники годом раньше Галилея, но представить доказательства не смог.

Первооткрыватель обозначил найденные спутники номерами, хотя другие астрономы (в том числе С. Марий и И. Кеплер) предлагали варианты названий. Один из них, связанный с именами приближенных Юпитера (в греч. мифологии Зевса), был официально принят, но лишь в начале ХХ века.

Ганимед - единственный спутник с мужским именем. Согласно легенде, Зевс полюбил сына троянского царя Ганимеда и, обернувшись орлом, унес его к себе на Олимп.

Захватывающие факты о Ганимеде

Ганимед - крупнейший из всех спутников в нашей системе. Его диаметр составляет около 5270 км, а масса равна 1,45*1023 кг.

Спутник удален от планеты в среднем на 1 млн. км и обходит ее за 7,1 земных дней.

Небесное тело включает ядро из расплавленного железа, горную мантию и толстую (850–950 км) ледяную оболочку.

Плотность объекта, равная почти 2 г/см3, позволяет предположить, что пропорции камня и льда в нем примерно одинаковы.

Есть гипотеза, что под ледяным слоем находится океан, жидкость в котором сохраняется за счет огромного давления.

На поверхности Ганимеда присутствуют два вида рельефа. Древние участки темного цвета покрыты глубокими впадинами (кратерами). Более молодые и светлые образовались в результате тектонических процессов.

Предполагается, что около 4 млн. лет назад спутник подвергался мощной атаке астероидов.

Ганимед обладает слабой атмосферой с присутствием кислорода, образованного таянием льда.

Световое излучение над спутником слабое, но есть и яркие пятна, создающие эффект северного сияния.

Уникальность Ганимеда состоит в наличии небольшой магнитосферы, соединенной с магнитосферой Юпитера. Это в определенной степени подтверждает гипотезу о присутствии подземного океана.

Самый крупный спутник является для ученых привлекательным объектом для поиска жизни. Несколько зондов, отправленных к Юпитеру, изучали и особенности Ганимеда.

Поскольку своим строением и особенностями Ганимед во многом напоминает Луну, ученые рассматривают его в качестве возможного объекта для колонизации. Несколько новых проектов находятся в ожидании одобрения.

Самый крупный спутник Юпитера Ганимед легко отыскать на виртуальном небосводе. Приобретая его, вы получите великолепный для себя или оригинальный подарок-сюрприз для близкого человека.

Спутник Юпитера Ганимед является крупнейшим спутником в Солнечной системе. Спутник Ганимед больше Меркурия и Плутона, и лишь немного меньше Марса. А намного меньше его. Его легко было бы классифицировать как планету, если бы он вращался вокруг Солнца, а не Юпитера.

Спутник Ганимед: факты

Возраст спутника Ганимед составляет около 4,5 миллиарда лет, примерно такого же возраста, как Юпитер.

Расстояние от Юпитера: Ганимед является седьмым спутником и третьим Галилеевым от поверхности Юпитера, находящийся на орбите на расстояние примерно в 665 000 миль (1,070 млн. км).
Размер: средний радиус Ганимеда составляет 1635 миль (2,631.2 км). Благодаря своим размерам, можно увидеть с помощью невооружённого взгляда. Ранние китайские астрономические записи показывают открытие спутника Юпитера, как вероятно, первое наблюдение Ганимеда. Хотя Ганимед больше Меркурия он имеет только половину его массы, что характеризуется его низкой плотностью.

Температура: Дневные температуры на поверхности в среднем от 171F до 297F, а ночью температура падает до -193C. Маловероятно, что любые живые организмы населяют спутник Ганимед.

Несколько космических аппаратов пролетали вокруг Юпитера и его спутников. Пионер-10 прибыл первым, в 1973 году, а затем Пионер 11 в 1974 году. Вояджер-1 и Вояджер-2 вернулись с поразительными фотографиями этих миров. Космический корабль Галилео прошел на расстоянии всего в 162 миле (261 км) над поверхностью Галилеевых спутников и произвел детальные изображения.
Спутник Ганимед имеет ядро ​​из металлического железа, за которым следует слой породы, завершенный коркой льда, которая по большей части очень толстая. Есть также ряд неровностей на поверхности Ганимеда, который могут быть скалами.

Поверхность Ганимеда состоит из двух типов рельефа местности: на 40 процентов усыпана многочисленными кратерами и на 60 процентов из светлых канавок, которые образуют сложную модель, дающую спутнику его характерный внешний вид. Канавки, которые, вероятно, были сформированы в результате тектонической активности или во время освобождения воды из-под поверхности, так высоки, что имею 2000 футов в высоту и тянутся на тысячи миль.

Считается, что имеет морской океан, который расположен на глубине 124 мили под поверхностью, в отличие от спутника Европа, который имеет большой океан ближе к поверхности.
Фотография крупным планом региона Николсон и Arbela Sulcus, что еще раз доказывает разнообразие поверхности Ганимеда

Фотография крупным планом региона Николсон и Arbela Sulcus, что еще раз доказывает разнообразие поверхности спутника Ганимед

Ганимед имеет тонкую атмосферу, состоящую из кислорода - слишком тонкую, чтобы поддерживать жизнь. Это единственный спутник в Солнечной системе, который иметь магнитосферы. Магнитосфера Ганимеда полностью встроены в магнитосфере Юпитера.

Спутник Юпитера Ганимед: история открытия

Спутник Ганимед был открыт Галилео Галилеем 7 января 1610 года. Он был открыт, наряду с тремя другими спутниками Юпитера и это было впервые, когда был открыт спутник, вращающийся вокруг планеты, кроме Земли. Открытие Галилея в конечном итоге привели к пониманию, что планеты вращаются вокруг Солнца, а не наша Солнечная система вращается вокруг Земли.

Галилей назвал эту луну Юпитер III. Но численная система именования была заброшена в середине 1800-х годов и поэтому спутник был назван в честь Ганимеда, троянского царевича в греческой мифологии. Зевс, аналог Юпитера в римской мифологии, привел на Олимп Ганимеда, который принял форму орла, и сделал его виночерпием олимпийских богов и одним из любимцев Зевса.

Изображение противоюпитерианского полушария Ганимеда, сделанное КА «Галилео». Светлые поверхности, следы недавних ударных столкновений, изборождённая поверхность и белая северная полярная шапка (в верхнем правом углу изображения) богаты водяным льдом

Ганимед (др.-греч. Γανυμήδης) - один из галилеевых спутников , седьмой по расстоянию от него среди всех его и крупнейший спутник в . Его диаметр равен 5268 километрам, что на 2 % больше, чем у (второго по величине спутника в Солнечной системе) и на 8 % больше, чем у . При этом масса Ганимеда составляет всего 45 % массы Меркурия, но среди спутников она рекордная. Ганимед превышает по массе в 2,02 раза. Совершая облёт орбиты примерно за семь дней, Ганимед участвует в орбитальном резонансе 1:2:4 с двумя другими спутниками Юпитера - и .

Ганимед состоит из примерно равного количества силикатных пород и водяного льда. Это полностью дифференцированное тело с жидким ядром, богатым железом. Предположительно в его недрах на глубине около 200 км между слоями льда есть океан жидкой воды. На поверхности Ганимеда наблюдаются два типа ландшафта. Треть поверхности спутника занимают тёмные области, испещрённые ударными кратерами. Их возраст доходит до четырёх миллиардов лет. Остальную площадь занимают более молодые светлые области, покрытые бороздами и хребтами. Причины сложной геологии светлых областей понятны не до конца. Вероятно, она связана с тектонической активностью, вызванной приливным нагревом.

Ганимед - единственный спутник в Солнечной системе, обладающий собственной магнитосферой. Скорее всего, её создаёт конвекция в жидком ядре, богатом железом. Небольшая магнитосфера Ганимеда заключена в пределах намного большей магнитосферы Юпитера и лишь немного деформирует её силовые линии. У спутника есть тонкая атмосфера, в состав которой входят такие аллотропные модификации кислорода, как O (атомарный кислород), O2 (кислород) и, возможно, O3 (озон). Количество атомарного водорода (H) в атмосфере незначительно. Есть ли у Ганимеда ионосфера, неясно.

Ганимед открыл Галилео Галилей, который увидел его 7 января 1610 года. Вскоре Симон Марий предложил назвать его в честь виночерпия Ганимеда. Первым , изучавшим Ганимед, стал «Пионер-10» в 1973 году. Намного более детальные исследования провели аппараты программы «Вояджер» в 1979 году. Космический аппарат , изучавший систему Юпитера начиная с 1995 года, обнаружил подземный океан и магнитное поле Ганимеда. В 2012 году Европейское космическое агентство одобрило новую миссию для исследований ледяных спутников Юпитера - JUICE; её запуск планируется на 2022 год, а прибытие в систему Юпитера - на 2030 год. На 2020 год запланирована миссия Europa Jupiter System Mission, составной частью которой, возможно, станет российский «Лаплас».

История открытия и наименования

Ганимед был открыт Галилео Галилеем 7 января 1610 года с помощью его первого в истории телескопа. В этот день Галилей увидел около Юпитера 3 «звезды»: Ганимед, и «звезду», впоследствии оказавшуюся двумя спутниками - Европой и Ио (только на следующую ночь угловое расстояние между ними увеличилось достаточно для раздельного наблюдения). 15 января Галилео пришел к выводу, что все эти объекты на самом деле являются небесными телами, движущимися по орбите вокруг Юпитера. Галилей назвал четыре открытые им спутника «планетами Медичи» и присвоил им порядковые номера.

Французский астроном Никола-Клод Фабри де Пейреск предложил дать спутникам отдельные имена по именам четырёх членов семьи Медичи, но его предложение не было принято. На открытие спутника претендовал также немецкий астроном Симон Марий, который наблюдал Ганимед в 1609 году, но вовремя не опубликовал данные об этом. Марий попытался дать спутникам имена «Сатурн Юпитера», «Юпитер Юпитера» (это был Ганимед), «Венера Юпитера» и «Меркурий Юпитера», которые также не завоевали популярность. В 1614 году он вслед за Иоганном Кеплером предложил для них новые названия по именам приближённых Зевса (в том числе Ганимеда):

…Потом был Ганимед, красивый сын троянского царя Троса, которого Юпитер, приняв вид орла, похитил на небеса держа на спине, как сказочно описывают поэты… В третьих, из-за величественности света, Ганимед…

Однако название «Ганимед», как и наименования, предложенные Марием для других галилеевых спутников, практически не использовалось вплоть до середины 20 века, когда оно стало общеупотребительным. В большой части более ранней астрономической литературы Ганимед обозначен (по системе, введённой Галилео) как Юпитер III или «третий спутник Юпитера». После открытия спутников для спутников Юпитера стала использоваться система обозначения, основанная на предложениях Кеплера и Мария. Ганимед - единственный галилеев спутник Юпитера, названный в честь фигуры мужского пола -  согласно ряду авторов, он (как и Ио, Европа и Каллисто) был возлюбленным Зевса.

По данным китайских астрономических записей, в 365 году до н. э. Гань Дэ обнаружил спутник Юпитера невооруженным глазом (вероятно, это был Ганимед).

Происхождение и эволюция

Сравнение размеров Луны, Ганимеда и Земли

Ганимед, вероятно, сформировался из или , окружавшей Юпитер некоторое время после его образования. Формирование Ганимеда, вероятно, заняло приблизительно 10 000 лет (на порядок меньше оценки для Каллисто). В туманности Юпитера при формировании галилеевых спутников, вероятно, было относительно мало газа, что может объяснять очень медленное формирование Каллисто. Ганимед образовался ближе к Юпитеру, где туманность была более плотной, что и объясняет более быстрое его формирование. Оно, в свою очередь, привело к тому, что тепло, выделяемое при аккреции, не успевало рассеиваться. Это, возможно, вызвало таяние льда и отделение от него скальных пород. Камни обосновались в центре спутника, формируя ядро. В отличие от Ганимеда, при формировании Каллисто тепло успевало отводиться прочь, льды в её недрах не таяли и дифференциации не происходило. Эта гипотеза объясняет, почему два спутника Юпитера столь разные, несмотря на схожесть массы и состава. Альтернативные теории объясняют более высокую внутреннюю температуру Ганимеда приливным нагревом или более интенсивным воздействием на него поздней тяжелой бомбардировки.

Ядро Ганимеда после формирования сохранило большую часть тепла, накопленного во время аккреции и дифференцирования. Оно медленно отдаёт это тепло ледяной мантии, работая как своеобразная тепловая батарея. Мантия, в свою очередь, переносит это тепло на поверхность конвекцией. Распад радиоактивных элементов в ядре продолжил его разогревать, вызывая дальнейшую дифференциацию: были сформированы внутреннее ядро из железа и сульфида железа и силикатная мантия. Так Ганимед стал полностью дифференцированным телом. Для сравнения, радиоактивный нагрев недифференцированной Каллисто вызвал только конвекцию в её ледяных недрах, что эффективно их охладило и предотвратило крупномасштабное таяние льда и быструю дифференциацию. Процесс конвекции на Каллисто вызвал только частичное отделение камней ото льда. В настоящее время Ганимед продолжает медленно охлаждаться. Тепло, идущее от ядра и силикатной мантии, позволяет существовать подземному океану, а медленное охлаждение жидкого ядра из Fe и FeS вызывает конвекцию и поддерживает генерацию магнитного поля. Текущий тепловой поток из недр Ганимеда, вероятно, выше, чем у Каллисто.

Орбита и вращение

Ганимед находится на расстоянии 1 070 400 километров от Юпитера, что делает его третьим по удалённости галилеевым спутником. Ему требуется семь дней и три часа, чтобы совершить полный оборот вокруг Юпитера. Как и у большинства известных спутников, вращение Ганимеда синхронизировано с обращением вокруг Юпитера, и он всегда повернут одной и той же стороной к планете. Его орбита имеет небольшие наклонение к экватору Юпитера и эксцентриситет, которые квазипериодически изменяются по причине вековых возмущений от и планет. Эксцентриситет меняется в диапазоне 0,0009-0,0022, а наклонение - в диапазоне 0,05°-0,32°. Эти орбитальные колебания заставляют наклон оси вращения (угол между этой осью и перпендикуляром к плоскостью орбиты) изменяться от 0 до 0,33°.

Резонанс Лапласа (орбитальный резонанс) спутников Ганимед, Европа и Ио

Ганимед находится в орбитальном резонансе с Европой и Ио: на каждый оборот Ганимеда вокруг планеты приходится два оборота Европы и четыре оборота Ио. Максимальное сближение Ио и Европы происходит, когда Ио находится в перицентре, а Европа в апоцентре. С Ганимедом Европа сближается, находясь в своём перицентре. Таким образом, выстраивание в одну линию всех этих трёх спутников невозможно. Такой резонанс называется резонансом Лапласа.

Современный резонанс Лапласа неспособен увеличить эксцентриситет орбиты Ганимеда. Нынешнее значение эксцентриситета составляет около 0,0013, что может быть следствием его увеличения за счёт резонанса в прошлые эпохи. Но если он не увеличивается в настоящее время, то возникает вопрос, почему он не обнулился из-за приливной диссипации энергии в недрах Ганимеда. Возможно, последнее увеличение эксцентриситета произошло недавно - несколько сотен миллионов лет назад. Поскольку эксцентриситет орбиты Ганимеда относительно низок (в среднем 0,0015), приливный разогрев этого спутника сейчас незначителен. Однако, в прошлом Ганимед, возможно, мог один или несколько раз пройти через резонанс, подобный лапласовому, который был способен увеличить эксцентриситет орбиты до значений 0,01-0,02. Это, вероятно, вызвало существенный приливный разогрев недр Ганимеда, что могло стать причиной тектонической активности, сформировавшей неровный ландшафт.

Есть две гипотезы происхождения лапласовского резонанса Ио, Европы и Ганимеда: то, что он существовал со времён появления Солнечной системы или что он появился позже. Во втором случае вероятно такое развитие событий: Ио поднимала на Юпитере приливы, которые привели к её отдалению от него, пока она не вступила в резонанс 2:1 с Европой; после этого радиус орбиты Ио продолжал увеличиваться, но часть углового момента была передана Европе и она также отдалилась от Юпитера; процесс продолжался, пока Европа не вступила в резонанс 2:1 с Ганимедом. В конечном счете радиусы орбит этих трёх спутников достигли значений, соответствующих резонансу Лапласа.

Физические характеристики

Состав

Резкая граница между древним тёмным ландшафтом области Николсона и юной яркой рытвиной Арпагии

Средняя плотность Ганимеда составляет 1,936 г/см3. Предположительно, он состоит из равных частей скальных пород и воды (в основном замёрзшей). Массовая доля льда лежит в интервале 46-50 %, что немного ниже, чем у Каллисто. Во льдах могут присутствовать некоторые летучие газы, такие как аммиак. Точный состав скальных пород Ганимеда не известен, но он, вероятно, близок к составу обыкновенных хондритов групп L и LL, которые отличаются от H-хондритов меньшим полным содержанием железа, меньшим содержанием металлического железа и большим - окиси железа. Соотношение масс железа и кремния на Ганимеде составляет 1,05-1,27 (для сравнения, у Солнца оно равно 1,8).

Альбедо поверхности Ганимеда составляет около 43 %. Водяной лёд есть практически на всей поверхности и его массовая доля колеблется в пределах 50-90 %, что значительно выше, чем на Ганимеде в целом. Ближняя инфракрасная спектроскопия показала наличие обширных абсорбционных полос водяного льда на длинах волн 1,04, 1,25, 1,5, 2,0 и 3,0 μm. Светлые участки менее ровные и имеют большее количество льда по сравнению с тёмными. Анализ ультрафиолетового и ближнего инфракрасного спектра с высоким разрешением, полученных космическим аппаратом «Галилео» и наземными инструментами, показал наличие и других веществ: углекислого газа, диоксида серы и, возможно, циана, серной кислоты и различных органических соединений. По результатам миссии «Галилео» предполагается наличие на поверхности некоторого количества толинов. Результаты «Галилео» также показали наличие на поверхности Ганимеда сульфата магния (MgSO4) и, возможно, сульфата натрия (Na2SO4). Эти соли могли образоваться в подземном океане.

Поверхность Ганимеда асимметрична. Ведущее полушарие (повёрнутое в сторону движения спутника по орбите) светлее, чем ведомое. На Европе ситуация такая же, а на Каллисто - противоположная. На ведомом полушарии Ганимеда, видимо, больше двуокиси серы. Количество углекислого газа на обоих полушариях одинаково, но его нет вблизи полюсов. Ударные кратеры на Ганимеде (кроме одного) не показывают обогащения углекислым газом, что также отличает этот спутник от Каллисто. Подземные запасы углекислого газа на Ганимеде были, вероятно, исчерпаны ещё в прошлом.

Внутреннее строение

Возможное внутреннее строение Ганимеда

Предположительно Ганимед состоит из трёх слоёв: расплавленного железного или состоящего из сульфида железа ядра, силикатной мантии и внешнего слоя льда толщиной 900-950 километров. Эта модель подтверждается малым моментом инерции, который был измерен во время облета Ганимеда «Галилео» - (0,3105 ± 0,0028)×mr2 (момент инерции однородного шара равен 0,4×mr2). У Ганимеда коэффициент в этой формуле самый низкий среди твёрдых тел Солнечной системы. Существование расплавленного богатого железом ядра даёт естественное объяснение собственного магнитного поля Ганимеда, которое было обнаружено «Галилео». Конвекция в расплавленном железе, которое обладает высокой электропроводностью, - самое разумное объяснение происхождения магнитного поля.

Точная толщина различных слоёв в недрах Ганимеда зависит от принятого значения состава силикатов (доли оливина и пироксенов), а также от количества серы в ядре. Наиболее вероятное значение радиуса ядра - 700-900 км, а толщины внешней ледяной мантии - 800-1000 км. Остаток радиуса приходится на силикатную мантию. Плотность ядра - предположительно 5,5-6 г/см3, а силикатной мантии - 3,4-3,6 г/см3. Некоторые модели генерирования магнитного поля Ганимеда требуют наличия твёрдого ядра из чистого железа внутри жидкого ядра из Fe и FeS, что схоже со структурой земного ядра. Радиус этого ядра может достигать 500 километров. Температура в ядре Ганимеда предположительно составляет 1500-1700 К, а давление - до 10 ГПа.

Исследования магнитного поля Ганимеда указывают на то, что под его поверхностью может быть океан жидкой воды. Численное моделирование недр спутника, выполненное в 2014 году сотрудниками Лаборатории реактивного движения НАСА , показало, что этот океан, вероятно, многослойный: жидкие слои разделены слоями льда разных типов (лёд I, III, V, VI). Количество жидких прослоек, возможно, достигает 4; их солёность растёт с глубиной.

Поверхность

Мозаика из фотографий противоюпитерианского полушария Ганимеда. Тёмная древняя зона в верхнем правом углу - область Галилея. Её отделяют от области Мариуса (меньшей тёмной области левее) светлые рытвины Урук. Яркая лучистая структура внизу - свежий лёд, выброшенный при появлении относительно молодого кратера Осирис

Поверхность Ганимеда представляет собой смесь участков двух типов: очень древних сильно кратерированных тёмных областей и несколько более молодых (но всё-таки древних) светлых областей, покрытых бороздами, канавками и гребнями. Тёмные участки поверхности занимают примерно 1/3 всей площади и содержат глины и органические вещества, что может отображать состав , из которых образовались спутники Юпитера.

Пока неизвестно, что вызвало нагрев, необходимый для формирования бороздчатой поверхности Ганимеда. По современным представлениям, такая поверхность - следствие тектонических процессов. Криовулканизм играет, как считается, второстепенную роль, если играет вообще. Силы, создавшие в литосфере Ганимеда сильные напряжения, необходимые для тектонических подвижек, могли быть связаны с приливным разогревом в прошлом, причиной которого, возможно, были нестабильные орбитальные резонансы, через которые проходил спутник. Приливная деформация льдов могла разогреть недра Ганимеда и вызвать напряжения в литосфере, что привело к появлению трещин, горстов и грабенов. При этом на 70 % площади спутника была стёрта старая тёмная поверхность. Формирование бороздчатой поверхности также может быть связано с ранним формированием ядра спутника и последующим приливным разогревом его недр, что, в свою очередь, вызвало увеличение Ганимеда на 1-6 % благодаря тепловому расширению и фазовым переходам во льду. Возможно, в ходе последующей эволюции от ядра к поверхности поднимались плюмы из разогретой воды, вызывая деформации литосферы. Наиболее вероятный современный источник тепла в недрах спутника - радиоактивный разогрев, который может (по крайней мере, частично) обеспечить существование подповерхностного водного океана. Моделирование показывает, что если бы эксцентриситет орбиты Ганимеда был на порядок выше современного (а это, возможно, было в прошлом), приливный разогрев мог быть сильнее радиоактивного.

Фото Ганимеда (по центру меридиан 45° з.д.). Тёмные участки - область Перрайна (сверху) и область Николсона (снизу); лучистые кратеры - Трос (вверху справа) и Чисти (внизу слева)

Ударные кратеры есть на участках поверхности обоих типов, но в тёмных областях их особенно много: эти области насыщены кратерами и, судя по всему, их рельеф формировался главным образом именно столкновениями. На ярких бороздчатых участках кратеров намного меньше, и они не сыграли значимой роли в эволюции их рельефа. Плотность кратерирования тёмных участков указывает на возраст в 4 миллиарда лет (как и у материковых областей Луны).

Кратеры Гула и Ахелой (ниже). У каждого виден «вал» и «пьедестал» из выбросов

Светлые участки младше, но насколько - неясно. Особой интенсивности кратерирование поверхности Ганимеда (как и Луны) достигло около 3,5-4 миллиарда лет назад. Если эти данные точны, то большинство ударных кратеров осталось с той эпохи, и после этого они прибавлялись в числе незначительно. Некоторые кратеры пересечены бороздами, а некоторые образовались поверх борозд. Это говорит о том, что некоторые борозды довольно древние. Местами попадаются относительно молодые кратеры с расходящимися от них лучами выбросов. Кратеры Ганимеда более плоские, чем кратеры на Меркурии или Луне.

Вероятно, причиной этого служит непрочность ледяной коры Ганимеда, которая может (или могла) сглаживаться под действием силы тяжести. Древние кратеры, которые почти совсем сглажены (своего рода «призраки» кратеров) известны как палимпсесты; одним из крупнейших палимпсестов Ганимеда является факула Мемфис диаметром 360 км.

Изображение ведомого полушария Ганимеда, сделанное с космического аппарата «Галилео» (цвета усилены). В правом нижнем углу видны яркие лучи кратера Ташмет, а в верхнем правом - большое поле выбросов из кратера Хершеф. Часть тёмной области Николсона находится внизу слева. Сверху справа она граничит с рытвинами Гарпагия

Одна из примечательных геоструктур Ганимеда - тёмный участок под названием область Галилея, где видна сеть из разнонаправленных борозд. Вероятно, своим появлением этот регион обязан периоду бурной геологической активности спутника.

На Ганимеде есть полярные шапки, предположительно состоящие из водяного инея. Они покрывают широты выше 40°. Впервые полярные шапки наблюдались при пролёте «Вояджер». Вероятно, они образованы молекулами воды, выбитыми с поверхности при бомбардировке её частицами плазмы. Такие молекулы могли мигрировать на высокие широты с низких благодаря разнице температур или же происходить из самих полярных областей. Результаты расчётов и наблюдений позволяют судить, что верно второе. Наличие у Ганимеда собственной магнитосферы приводит к тому, что заряженные частицы интенсивно бомбардируют только слабо защищённые - полярные - области. Образовавшийся водяной пар осаждается в основном в самых холодных местах этих же областей.

Атмосфера и ионосфера

В 1972 году группа индийских, британских и американских астрономов, работая в индонезийской обсерватории имени Боссы, сообщила об обнаружении у спутника тонкой атмосферы во время наблюдения покрытия им звезды. Они оценили приповерхностное давление атмосферы в 0,1 Па. Однако в 1979 году КА «Вояджер-1» наблюдал покрытие Ганимедом звезды (κ Центавра) и получил противоречащие этому результаты. Эти наблюдения проводились в дальнем ультрафиолете на длинах волн меньше 200 нм, и они были куда более чувствительны к наличию газов, чем измерения 1972 года в видимом излучении. Никакой атмосферы датчики «Вояджера» не обнаружили. Верхний предел концентрации оказался на уровне 1,5·10 9 частиц/см 3 , что соответствует приповерхностному давлению менее 2,5 мкПа. А это почти на 5 порядков меньше, чем оценка 1972 года.

Существование нейтральной атмосферы подразумевает и существование у спутника ионосферы, потому что молекулы кислорода ионизируются столкновениями с быстрыми электронами, прибывающими из магнитосферы, и солнечным жёстким ультрафиолетом. Однако природа ионосферы Ганимеда такая же спорная, как и природа атмосферы. Некоторые замеры «Галилео» показали повышенную плотность электронов вблизи от спутника, что указывает на наличие ионосферы, тогда как другие попытки её зафиксировать потерпели неудачу. Концентрация электронов вблизи поверхности по различным оценкам колеблется в диапазоне от 400 до 2500 см 3 . На 2008 год параметры возможной ионосферы Ганимеда не установлены.

Карта температур на Ганимеде

Дополнительное указание на существование кислородной атмосферы Ганимеда - обнаружение по спектральным данным газов, вмороженных в лёд на его поверхности. Об обнаружении полос поглощения озона (O3) было сообщено в 1996 году. В 1997 году спектральный анализ выявил линии поглощения димера (или двухатомного) кислорода. Такие линии поглощения могут возникать только если кислород находится в плотной фазе. Лучшее объяснение - что молекулярный кислород вморожен в лёд. Глубина димерных полос поглощения зависит от широты и долготы (но не от поверхностного альбедо) - они имеют склонность к уменьшению с широтой, в то время как тенденция для O3 противоположна. Лабораторные эксперименты позволили установить, что при температуре в 100 K, характерной для поверхности Ганимеда, O2 растворяется во льду, а не собирается в пузырьки.

Обнаружив в атмосфере Европы натрий, учёные стали искать его и в атмосфере Ганимеда. В 1997 году стало ясно, что его там нет (точнее, как минимум в 13 раз меньше, чем на Европе). Это может объясняться его нехваткой на поверхности или тем, что магнитосфера Ганимеда препятствует заряженным частицам выбивать его оттуда. Помимо прочего, в атмосфере Ганимеда замечен атомарный водород. Он наблюдался на расстоянии до 3000 км от поверхности спутника. Его концентрация у поверхности - около 1,5·10 4 см 3 .

Магнитосфера

Космический аппарат «Галилео» с 1995 по 2000 годы сделал шесть близких пролётов возле Ганимеда (G1, G2, G7, G8, G28 и G29) и обнаружил, что у Ганимеда есть довольно мощное магнитное поле и даже своя магнитосфера, не зависящая от магнитного поля Юпитера. Величина магнитного момента составляет 1,3×10 13 Т·м 3 , что втрое больше, чем у Меркурия. Ось магнитного диполя наклонена на 176° по отношению к оси вращения Ганимеда, что означает её направленность против магнитного момента Юпитера. Северный магнитный полюс Ганимеда находится ниже плоскости орбиты. Индукция дипольного магнитного поля, созданного постоянным магнитным моментом, на экваторе спутника равна 719 ± 2 нТл (для сравнения - индукция магнитного поля Юпитера на расстоянии Ганимеда равна 120 нТл). Противоположность направлений магнитного поля Ганимеда и Юпитера делает возможным магнитное пересоединение. Индукция собственного магнитного поля Ганимеда на его полюсах вдвое больше, чем на экваторе, и равна 1440 нТл.

Ганимед - единственный спутник в Солнечной системе, у которого есть собственная магнитосфера. Она очень мала и погружена в магнитосферу Юпитера. Её диаметр - примерно 2-2,5 диаметра Ганимеда (который составляет 5268 км). У магнитосферы Ганимеда имеется область замкнутых силовых линий, расположенная ниже 30° широты, где заряженные частицы (электроны и ионы) оказываются в ловушке, создавая своего рода радиационный пояс. Основной вид ионов в магнитосфере - ионы кислорода O+, что хорошо согласуется с разрежённой кислородной атмосферой спутника. В шапках полярных областей на широтах выше 30° силовые линии магнитного поля не замкнуты и соединяют Ганимед с ионосферой Юпитера. В этих областях были обнаружены электроны и ионы, обладающие высокой энергией (десятки и сотни килоэлектронвольт), которые и могут вызывать полярные сияния, наблюдаемые вокруг полюсов Ганимеда. Кроме того, тяжелые ионы непрерывно осаждаются на полярной поверхности луны, распыляя и затемняя лёд.

Магнитное поле Ганимеда в поле Юпитера. Замкнутые силовые линии отмечены зелёным цветом

Взаимодействие между магнитосферой Ганимеда и юпитерианской плазмой напоминает во многих отношениях взаимодействие между солнечным ветром и земной магнитосферой. Плазма вращается совместно с Юпитером и сталкивается с магнитосферой Ганимеда на его ведомой стороне, как и солнечный ветер с земной магнитосферой. Основное отличие - скорость плазменного потока: сверхзвуковая в случае и дозвуковая в случае Ганимеда. Именно потому у магнитного поля Ганимеда нет ударной волны с запаздывающей стороны.

В дополнение к магнитному моменту, у Ганимеда есть индуцированное дипольное магнитное поле. Его вызывают изменения магнитного поля Юпитера вблизи спутника. Индуцированный дипольный момент направлен к Юпитеру или от него (согласно с правилом Ленца). Индуцированное магнитное поле Ганимеда на порядок слабее собственного. Его индукция на магнитном экваторе - около 60 нТ (вдвое меньше, чем напряжённость поля Юпитера там же). Индуцированное магнитное поле Ганимеда напоминает аналогичные поля Каллисто и Европы и указывает на то, что у этого спутника тоже есть подповерхностный водный океан с высокой электропроводностью.

Поскольку Ганимед полностью дифференцирован и обладает металлическим ядром, его постоянное магнитное поле, вероятно, генерируется тем же способом, что и земное: как результат перемещений электропроводящей материи в недрах. Если магнитное поле вызвано магнитогидродинамическим эффектом, то это, вероятно, результат конвективного движения разных веществ в ядре.

Несмотря на наличие железного ядра, магнитосфера Ганимеда остаётся загадкой, особенно с учётом того, что у других подобных тел её нет. Из некоторых исследований следует, что такое маленькое ядро уже должно было остыть до той точки, когда движение жидкости и поддержание магнитного поля невозможны. Одно из объяснений состоит в том, что поле сохраняется благодаря тем же орбитальным резонансам, которые привели к сложному рельефу поверхности: вследствие приливного разогрева из-за орбитального резонанса мантия защитила ядро от охлаждения. Ещё одно из объяснений - остаточная намагниченность силикатных пород в мантии, что возможно, будь у спутника более сильное поле в прошлом.

Изучение

Изображение Ганимеда, сделанное «Пионером-10» в 1973 году

Юпитер (как и все прочие газовые планеты) целенаправленно изучался исключительно межпланетными станциями НАСА. Несколько космических аппаратов исследовали Ганимед вблизи, включая четыре пролёта в 1970-х и многократные пролёты с 1990-х до 2000-х годов.

Первые фотографии Ганимеда из космоса были сделаны «Пионером-10», пролетевшим мимо Юпитера в декабре 1973 года, и «Пионером-11», пролетевшим в 1974 году. Благодаря им были получены более точные сведения о физических характеристиках спутника (к примеру, «Пионер-10» уточнил его размеры и плотность). На их снимках видны детали размером от 400 км. Наибольшее сближение Пионера-10 составило 446 250 километров.

Космический аппарат «Вояджер»

В марте 1979 года мимо Ганимеда прошёл «Вояджер-1» на расстоянии 112 тыс. км, а в июле - «Вояджер-2» на расстоянии 50 тыс. км. Они передали качественные снимки поверхности спутника и провели ряд измерений. В частности, они уточнили его размер, и оказалось, что это самый большой спутник в Солнечной системе (ранее самым большим считали спутник Сатурна Титан). Нынешние гипотезы о геологии спутника появились благодаря данным «Вояджеров».

С декабря 1995 по сентябрь 2003 года систему Юпитера изучал «Галилео». За это время он шесть раз сближался с Ганимедом. Наименования пролётов - G1, G2, G7, G8, G28 и G29. Во время самого близкого пролета (G2) «Галилео» прошел в 264 километрах от его поверхности и передал о нём массу ценных сведений, включая подробные фотографии. Во время пролёта G1 в 1996 году «Галилео» обнаружил у Ганимеда магнитосферу, а в 2001 году - подземный океан. Благодаря данным «Галилео» удалось построить относительно точную модель внутреннего строения спутника. Также «Галилео» передал большое число спектров и обнаружил на поверхности Ганимеда несколько неледяных веществ.

Аппарат «Новые горизонты» на пути к Плутону в 2007 году прислал фотографии Ганимеда в видимом и инфракрасном диапазонах, а также предоставил топографические сведения и карту состава.

Предложенная для запуска в 2020 году «Europa Jupiter System Mission» (EJSM) - совместная программа NASA, ESA и Роскосмоса по изучению спутников Юпитера. В феврале 2009 года было объявлено, что ESA и NASA придали ей больший приоритет, чем миссии «Titan Saturn System Mission». Для ESA финансирование этой миссии затруднено наличием у этого агентства других требующих финансирования проектов. Число аппаратов, которые будут запущены, варьирует от двух до четырёх: «Jupiter Europa Orbiter» (NASA), «Jupiter Ganymede Orbiter» (ESA), «Jupiter Magnetospheric Orbiter» (JAXA) и «Jupiter Europa Lander» (Роскосмос).

Одной из отменённых миссий по изучению Ганимеда является миссия «Jupiter Icy Moons Orbiter». Для полёта космического корабля использовалось бы ядерное топливо, что было бы удобным для более подробного изучения Ганимеда. Однако из-за сокращения бюджета миссия была отменена в 2005 году. Другая предложенная миссия носила название «The Grandeur of Ganymede» - «Великолепие Ганимеда».

2 мая 2012 года Европейское космическое агентство (ЕКА) объявило о старте миссии Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) в 2022 году с прибытием в систему Юпитера в 2030 году. Одной из главных целей миссии будет исследование Ганимеда, которое начнется в 2033 году. Россия, посредством привлечения ЕКА, также намерена отправить на Ганимед посадочный аппарат для поиска признаков жизни и для проведения комплексных исследований системы Юпитера в качестве характерного представителя газовых гигантов.