Ganymedes – maan van Jupiter

Ganymedes - maan van Jupiter

Structuren aan het oppervlak van Ganymedes

In 16010 keek Galileo Galilei door een zelfgemaakte telescoop naar de sterrenhemel. Hij merkte op dat er bij Jupiter verschillende heldere objecten aanwezig waren die hij aanzag voor sterren. Na verloop van tijd viel het hem op dat deze objecten om de planeet heen draaiden. Hij realiseerde zich toen dat het manen waren. Deze manen kregen later de namen Io, Europa, Ganymedes en Callisto.

Van deze manen is Ganymedes de grootste. De maan heeft verschillende fascinerende kernmerken. Naast de grootste maan van Jupiter is Ganymedes ook de grootste maan in ons zonnestelsel. Ganymedes is groter dan de planeet Mercurius. Het is de enige maan in het zonnestelsel die een eigen magnetosfeer heeft. Maar Ganymedes heeft ook een dunne atmosfeer die zuurstof bevat en de maan heeft vermoedelijk (net zoals Europa en Callisto) een ondergrondse oceaan.

Ontdekking en naamgeving

Ofschoon er astronomische aantekeningen zijn die beweren dat de Chinese astronoom Gan De in 365 voor Christus met het blote oog een maan (vermoedelijk Ganymedes) heeft waargenomen bij Jupiter wordt de officiële ontdekking toegekend aan Galileo Galilei die op 7 januari 1610 de eerste waarnemingen van Ganymedes optekende. Samen met Io, Europa en Callisto noemde hij ze de “sterren van de Medici”, vernoemd naar zijn beschermheer Cosimo de Medici, de Groothertog van Toscane.

De ontdekking van Ganymedes werd ook opgeëist door Simon Marius. Deze Duitse astronoom was een tijdgenoot van Galileo. In opdracht van Johannes Kepler stelde hij de alternatieve namen Io, Europa, Ganymedes en Callisto voor. Deze namen komen uit de Griekse mythologie maar het duurde tot de 20-ste eeuw voor deze namen algemeen werden gebruikt.

Voorafgaand aan deze naamgeving werden de manen naar afstand tot de planeet Jupiter I t/m Jupiter IV genoemd (Ganymedes is in deze methodiek Jupiter III). Nadat er ook bij Saturnus manen waren ontdekt werd de systematiek die door Marius en Kepler was voorgesteld toegepast op de manen van Jupiter. In de Griekse mythologie was Ganymedes de zoon van koning Tros (ook wel Ilion), de naamgever van de stad Troye (ook wel Ilium).

Grootte, massa en baan

Ganymedes is de grootste maan in ons zonnestelsel. De straal bedraagt 2634,1 ± 0,3 kilometer (0,413 * de straal van de Aarde). Ganymedes is zelfs groter dan de planeet Mercurius. De maan heeft een massa van 1,4819 * 1023 kilogram (dit komt overeen met 0,025 Aardmassa) en is daarmee slechts half zo zwaar als Mercurius. Dit is te verklaren aan de hand van de samenstelling van Ganymedes want dit is voornamelijk waterijs en silicaathoudend gesteente.

De Galileische manen

familieportret van de Galileische manen van Jupiter. van links naar rechts: Ganymedes, Callisto, Io en Europa.

De baan van Ganymedes heeft maar een kleine excentriciteit van 0,0013. De gemiddelde afstand tot de Jupiter bedraagt 1.070.400 kilometer. De periapsis (kleinste afstand) bedraagt 1.069.200 kilometer en de apoapsis ( de grootste afstand tot de planeet) bedraagt 1.071.600 kilometer. Ganymedes heeft 7 dagen en 3 uur nodig om een keer om Jupiter te draaien. De maan doet dit in een gebonden rotatie. Dit betekent dat altijd dezelfde zijde naar Jupiter toe is gericht.

De baan maakt een inclinatie ten opzichte van het evenaarsvlak van Jupiter. De excentriciteit en de inclinatie veranderen over een periode van enkele eeuwen als gevolg van invloed van de aantrekkingskracht van de Zon en van Jupiter. Deze baanveranderingen zorgen er ook voor dat de helling van de draaiingsas varieert tussen 0° en 0,33°. Ganymedes heeft een baanresonantie van 4:1 met Io en van 2:1 met Europa.

Dit betekent dat Io vier keer om Jupiter heen draait en Europa dat twee keer doet in de tijd dat Ganymedes daar één keer voor nodig heeft. De bovenconjunctie tussen Io en Europa vindt plaats als Io in zijn periapsis is en Europa in zijn apoasis, de bovenconjunctie tussen Europa en Ganymedes vindt plaats als Europa in zijn periapsis is. Een dergelijke ingewikkelde resonantie (4:1) noemen we een Laplace resonantie.

Samenstelling en oppervlaktestructuren

De oceaan op Ganymedes

Artist impression van de gelaagde opbouw van de oceaan op Ganymedes. (credit: NASA/JPL)

De gemiddelde dichtheid van Ganymedes bedraagt 1,936 g/cm3. Ganymedes bestaat vermoedelijk uit gelijke delen gesteente en waterijs. Mens chat dat de hoeveelheid waterijs goed is voor 46-50% van de totale massa (iets minder dan bij Callisto) met de mogelijkheid dat er nog enkele vluchtige soorten ijs zoals ammoniak aanwezig zijn. Het oppervlak van Ganymedes heeft een albedo van 43%. Dit duidt er op dat het oppervlak voor ongeveer 50-90% uit waterijs bestaat.

Waarnemingen in het nabije infrarood en in het ultraviolet hebben ook de aanwezigheid van koolstofdioxide (CO2), zwaveldioxide (SO2) en mogelijk cyanide (CN), waterstofsulfaat (HSO4) en verschillende organische moleculen aangetoond. Recente gegevens duiden op de aanwezigheid van zouten zoals magnesiumsulfaat (MgSO4) en mogelijk ook natriumsulfaat (Na2SO4) die mogelijk van een ondergrondse oceaan afkomstig zouden kunnen zijn.

Het binnenste van Ganymedes bestaat uit een vaste binnenkern van ijzer omringd door een buitenkern van vloeibaar ijzer en ijzersulfide, een mantel van silicaat en een korst die voornamelijk uit waterijs bestaat en die over een kort heen ligt die voornamelijk uit gesteente bestaat. De diameter van de kern wordt geschat op 500 kilometer. De temperatuur van deze kern is ongeveer 1500 – 1700 Kelvin en de druk bedraagt er 10 Giga-Pascal.

Dat er een kern van vloeibaar ijzer-nikkel aanwezig moet zijn kan men afleiden uit het feit dat Ganymedes een eigen magneetveld heeft. Dit magneetveld wordt opgewekt door convectiestromen in het vloeibare ijzer. Dit ijzer heeft een hoog elektrisch geleidend vermogen. De dichtheid van de kern wordt geschat op 5,5 – 6 g/cm3, de silicaathoudende mantel heeft een geschatte dichtheid van 3,4 – 3,6 g/cm3.

Deze mantel bestaat uit silicaathoudende materialen, voornamelijk chondrieten en ijzer. De buitenste ijsachtige laag is de dikste laag. Men schat de dikte op 800 kilometer. De exacte dikte van deze en de andere lagen is afhankelijk van de samenstellingen van de silicaten en de hoeveelheid zwavel in de kern.

Wetenschappers denken ook dat er zich tussen twee lagen ijs een ondergrondse oceaan van vloeibaar water bevindt. De aanwezigheid van deze oceaan lijkt bevestigd door waarnemingen van diverse verkenners en het gedrag van Ganymedes’ aurora. De aurorae van Ganymedes worden beïnvloedt door het magneetveld van de maan en dit magneetveld wordt weer beïnvloedt door de aanwezigheid van een grote ondergrondse zoutwater vulkaan.

Ganymedes - maan van Jupiter

het oppervlak van Ganymees.

Het oppervlak van de maan is een mix van twee terreintypes. Er komt erg oud terrein voor dat sterk bekraterd is en donkere gebieden bevat en er is jonger, lichter gekleurd terrein waar veel kloven en bergruggen voorkomen. De oppervlakte van Ganymedes heeft, net zoals dat van de maan Europa, een asymmetrisch uiterlijk. Het naar Jupiter toe gerichte deel is helderder dan het van Jupiter afgerichte deel.

Het donkere terrein beslaat ongeveer een derde van het oppervlak. Het is donker gekleurd omdat het ijs aan de oppervlakte in deze gebieden ook veel kleisoorten en organisch materiaal bevat. Men denkt dat dit materiaal afkomstig is van inslagen, iets wat kan worden onderbouwd door het feit dat er in de donker gekleurde gebieden ook veel meer inslagkraters voorkomen.

Het gegroefde terrein is vermoedelijk ontstaan door tektonische activiteit, mogelijk als gevolg van cryovulkanisme maar het kan ook zijn ontstaan als gevolg van warmte die vrijkomt door getijdenwerking. Het kneden dat optreedt door getijdenkrachten kan het binnenste hebben verwarmd en tot oprekking van de lithosfeer hebben geleidt waardoor er scheuren en kloven zijn ontstaan die het oude donkere terrein op 70% van de oppervlakte van Ganymedes hebben doen verdwijnen.

Ofschoon de meeste kraters voorkomen in de donkere gebieden zijn ze overal aan het oppervlak te vinden. Men denkt dat veel kraters zo’n 3,5 – 4 miljard jaar geleden zijn ontstaan net zoals op onze eigen Maan. Als dat klopt dan betekent dit dat er daarna veel minder kraters zijn bijgekomen. De kraters op Ganymedes zijn veel lager dan op de Maan en Mercurius en dat komt vermoedelijk door de slapte van de ijsachtige korst.

Ganymedes heeft ook poolkappen die vermoedelijk bestaan uit bevroren water. Ze werden voor het eerst gezien door de Voyager-sondes. Er zijn verschillende theorieën opgesteld over hun ontstaan. Uitgaande van meetgegevens van de Galileo-sonde zijn ze vermoedelijk ontstaan door dat het bombardement van plasmadeeltjes afkomstig van Jupiter het ijs helderder maakt. De Galileo-sonde toonde namelijk een verband aan tussen de grenzen van de poolkappen en de grenzen van het magnetische veld van de maan.

Atmosfeer

Ganymedes opbouw

De opbouw van de Jupitermaan Ganymedes

Net zoals Europa heeft Ganymedes een hele ijle atmosfeer. De herkomst van deze atmosfeer is ook gelijk aan die van Europa: waterijs aan de oppervlakte wordt onder invloed van ultraviolette straling gesplitst in zuurstof en waterstof. Het waterstof is heel licht en verdwijnt in de ruimte. Het zuurstof is wat zwaarder en blijft als een ijle atmosfeer om Ganymedes hangen. De druk aan de oppervlakte bedraagt 0,2 – 1,2 micro-Pascal.

De aanwezigheid van deze hele ijle atmosfeer zorgt voor een gloed die wordt veroorzaakt door de interactie tussen atomair zuurstof en energetische deeltjes. Dit effect is niet uniform verdeeld maar zorgt, als gevolg van het magneetveld, voor heldere gebieden boven de polen van Ganymedes

Aanvullend bewijs voor zuurstof in de atmosfeer is afkomstig van de detectie van verschillende gassen die zijn opgesloten in het ijs van Ganymedes. Met behulp van spectroscopische technieken is er ozon (O3) aangetroffen maar ook zuurstofgas (O2). In de atmosfeer komt ook waterstof voor en hoewel dit grotendeels verdwijnt in de ruimte zijn er ook kleine concentraties gemeten aan de oppervlakte.

De aanwezigheid van deze neutrale atmosfeer impliceert dat er ook een ionosfeer moet zijn want zuurstof wordt geïoniseerd door inslagen van energetische elektronen uit de magnetosfeer en door elektromagnetische ultraviolette straling van de Zon. Echter het bestaan van een ionosfeer is nog speculatief want de gegevens van de verschillende missies spreken elkaar tegen.

Magnetosfeer

Ganymedes is de enige maan in het zonnestelsel met een eigen magnetosfeer. Het permanente magnetische moment van de maan bedraagt 1,3 * 1013 T.m3 en dat is drie keer groter dan het magnetische moment van Mercurius. De magnetische dipool ligt 176° gekanteld ten opzichte van de draaiingsas van Ganymedes. Het is tegengesteld gericht aan het magnetische moment van Jupiter.

Het dipool magneetveld dat door dit permanente moment wordt gevormd heeft een sterkte van 719 ± 2 Tesla (nT) aan de evenaar van Ganymedes en ongeveer twee keer zoveel aan de polen (1440 nT). Dit magneetveld zorgt ook een een minuscule magnetosfeer die zich binnen de magnetosfeer van Jupiter bevindt en een diameter heeft van ongeveer 10.525 – 13.156 kilometer.

Beneden de 30-ste breedtegraad bevindt zich een gebied waar de veldlijnen zijn gesloten. Elektrisch geladen deeltjes (elektronen en ionen) worden daar vastgehouden waardoor er een soort van stralingsgordel ontstaat. Eenmalig geïoniseerd zuurstof is het meest voorkomende ion in de magnetosfeer en dit past heel goed bij de ijle zuurstofatmosfeer van Ganymedes.

Er vindt een interactie plaats tussen de magnetosfeer van Ganymedes en het plasma van Jupiter. Dit is in veel opzichten vergelijkbaar met de interactie van de Aardse atmosfeer en de zonnewind.

Naast het intrinsieke magnetische moment heeft Ganymedes ook een geïnduceerd dipool magneetveld dat is gekoppeld met de variaties van het magneetveld van Jupiter dat zich nabij Ganymedes bevindt. Dit geïnduceerde magneetveld is vergelijkbaar met die van Callisto en Europa en het duidt er op dat er een ondergrondse oceaan van water aanwezig is die een groot elektrisch geleidend vermogen heeft.

Het bestaan van de magnetosfeer van Ganymedes is nog steeds een beetje een raadsel. Van de ene kant kan het magneetveld verklaard worden vanuit een dynamo-effect dat wordt opgewekt doordat er geleidend materiaal in de kern beweegt. Dit is vergelijkbaar met de Aarde. Echter andere hemellichamen die een metallische kern hebben hebben geen magneetveld en de relatief kleine kern van Ganymedes suggereert dat de kern wellicht is afgekoeld waardoor er geen stromingen meer in plaatsvinden.

Een mogelijke verklaring is dat dezelfde baanresonanties die het oppervlak hebben gevormd ook verantwoordelijk zijn voor het magneetveld. Tijdens deze resonanties neemt de opwarming als gevolg van getijdenwerking toe. De mantel isoleert de kern waardoor die niet af kan koelen. Nog een andere verklaring is de aanwezigheid van resten gemagnetiseerd silicaathoudend gesteente in de mantel, iets wat mogelijk is als de maan in het verleden een veel sterker magneetveld had.

Bewoonbaarheid

Er is enige speculatie over de potentiële bewoonbaarheid van de oceaan op Ganymedes. In een analyse, gepubliceerd in 2014, wordt rekening gehouden met de thermodynamica voor water en de effecten van zout. Deze analyse suggereert dat er mogelijk verschillende oceaanlagen voorkomen die worden gescheiden door een laag ijs waarbij de diepste vloeibare laag grenst aan de rotsachtige mantel die zich er onder bevindt.

Dit is belangrijk omdat deze laag zich het dichtste bij het rotsachtige binnenste bevindt en dus wordt opgewarmd als gevolg van getijdenwerking in de mantel. De hitte kan via ondergrondse geisers worden overgebracht naar het water dat op die manier warm genoeg kan worden om er leven in te herbergen. Zeker in de combinatie met zuurstofrijk water zouden er levensvormen mogelijk zijn op de grens tussen de kern en de mantel.

Verkenning

De Pioneer 11 en 12 waren in 1973 en 1974 de eerste verkenners die een scheervlucht langs de maan maakten. Het leverde foto’s op met een resolutie van 400 km en informatie over de samenstelling van de maan.

In 1979 passeerden de Voyager 1 en 2 de maan. Dit leidde tot veel betere schattingen over de grootte en er werden voor het eerst gedetailleerdere foto’s van het oppervlak gemaakt. In 1995 kwam de Galileo in een baan om Jupiter. Galileo maakte tussen 1996 en 2000 6 scheervluchten langs Ganymedes. Tijdens die scheervluchten werden het magneetveld en de ondergrondse oceaan ontdekt en werden er veel spectroscopische opnames gemaakt die lieten zien dat er ook niet-ijsachtige componenten aan het oppervlak voorkomen.

De meest recente missie die een bezoek bracht aan Ganymedes was de New Horizons die op zijn route naar Pluto in 2007 langs Jupiter en zijn manen vloog. Tijdens deze scheervlucht werden er topografische gegevens en data over de samenstelling van Europa en Ganymedes verzameld. Er lopen op dit moment geen missies naar Ganymedes maar er liggen wel verschillende voorstellen voor de komende tientallen jaren.

Een van deze voorstellen is een gezamenlijke NASA/ESA-missie die de Europa Jupiter System Missie (EJSM) wordt genoemd. Deze missie moet enkele manen van Jupiter bestuderen, waaronder Ganymedes, en heeft een voorgestelde lanceerdatum van 2020. Deze missie zou bestaan uit de Jupiter Europa Orbiter van de NASA, de Jupiter Ganymedes Orbiter van de ESA en mogelijk ook de Jupiter Magnetospheric Orbiter van de JAXA, de Japanse ruimtevaartorganisatie.

De bijdrage van de ESA werd in 2012 hernoemd naar de Jupiter Ict Moon Explorer (JUICE) en maakt deel uit van het Cosmic Vision-pogramma van de ESA. De lancering is voorzien voor 2022 of 2024. Mogelijk doen de Russen ook mee met de ESA. Het Russische Space Research Institute zou dan de Ganymedes Lander (GL) leveren. JUICE zou in een baan om Ganymedes worden gebracht en van daaruit ook verschillende scheervluchten langs Europa en Callisto maken.

In 2010 stelde de Planetary Science Decadal Survey ook een Ganymedes Orbiter voor. Deze orbiter is gebaseerd op de JUNO-verkenner die nu op weg naar naar Jupiter.

In 2005 werd ook de Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) voorgesteld. Deze verkenner zou worden uitgerust met een ionenmotor en een kleine kerncentrale voor zijn energievoorziening. Deze verkenner zou scheervluchten moeten maken langs de manen Europa, Ganymedes en Callisto maar deze missie is om budgettaire redenen afgeblazen.

Kolonisatie

Ganymedes wordt gezien als één van de mogelijke kandidaten voor menselijke kolonisatie. De maan heeft een aantal voordelen hiervoor. Zo is de zwaartekracht aan de oppervlakte 1,428 m/s2 (dit komt overeen met 0,146 g), vergelijkbaar met de zwaartekracht op onze Maan. Dit is voldoende om de effecten van bot en spierweefseldegeneratie te limiteren. De lage zwaartekracht betekent ook een lage ontsnappingssnelheid en dat betekent weer dat raketten minder brandstof nodig hebben om vanaf het oppervlak te vertrekken.

De aanwezigheid van een eigen magnetosfeer betekent dat kolonisten beter worden beschermd tegen de kosmische straling dan op andere hemellichamen. Omdat er veel water aanwezig is kan dit gebruikt worden om er zuurstof uit te halen en is het een bron voor drinkwater en kan het gebruikt worden om er raketbrandstof van te maken. Echter, tegenover deze voordelen staan ook verschillende uitdagingen die overwonnen moeten worden.

De aanwezigheid van een magnetosfeer betekent niet dat mensen helemaal veilig zijn voor kosmische straling; de aanwezigheid van het veel sterkere magneetveld van Jupiter is hier debet aan. Het oppervlak van Ganymedes ontvangt 8 rem aan straling per dag en dat is 333 keer meer dan de gemiddelde straling die we hier op Aarde per jaar ontvangen.

De sterke magnetosfeer van Jupiter zorgt er ook voor dat de magnetosfeer van Ganymedes geen atmosfeer kan vasthouden die genoeg zuurstof kan bevatten voor menselijk leven. De atmosfeer kan ook niet genoeg warmte vasthouden. Menselijk leven aan het oppervlak is alleen mogelijk in goed tegen straling afgeschermde ruimtes.

Een mogelijke oplossing is om, vergelijkbaar met Europa, ondergrondse verblijven te bouwen in de ijsachtige mantel of zelfs helemaal onder het ijs. De ijsmantel beschermd ze dan tegen de schadelijke kosmische straling.

Dergelijke mogelijkheden zijn echter nog science fiction. We zijn nog niet in staat om dergelijke constructies te realiseren op deze ver weg gelegen manen. Tot die tijd zullen we verkenners moeten blijven sturen om meer te leren over Ganymedes want het is en blijft een fascinerende maan die als enige in het zonnestelsel een eigen magneetveld heeft en waarvan het nog steeds niet uitgesloten is dat er leven mogelijk is in ondergrondse oceanen. Als is dat dan maar op microbiologische schaal.

Laatste bewerking: 30 oktober 2015 [vasioqrcode]
Bron: Universetoday.com