Cztery zewnętrzne planety Układu Słonecznego – Jowisz, Saturn, Uran i Neptun – to planety ze skalistym, metalicznym lub lodowo-skalnym jądrem. Reszta ich masy jest uformowana z gazów. Głównie z wodoru i helu. Określamy je jako planety gazowe, gazowe olbrzymy lub – od największej tego typu planety naszego układu – jowisze.
Są ogromne i masywne. Masa największego gazowego olbrzyma w Układzie Słonecznym, Jowisza, to zaledwie jedna tysięczna masy Słońca. Ale z drugiej strony to ponad dwa razy tyle, ile wynosi łączna masa wszystkich pozostałych planet Układu Słonecznego. Jeszcze lepiej widać to na przykładzie Ziemi – trzeba 320 naszych planet, by dorównać masie Jowisza.
Planety gazowe – Jowisz
Co ciekawe, skład chemiczny Jowisza jest niemal identyczny z tym, jaki miał pierwotny obłok gazowo-pyłowy, z którego powstał Układ Słoneczny. Wylicza się, że atmosfera Jowisza składa się w 86 proc. z wodoru, w 13 proc. z helu, a resztę stanowi niewielka ilość metanu, tlenu oraz amoniaku.
Jak na planety gazowe przystało Jowisz oraz kolejna, Saturn, nie mają powierzchni, na której można byłoby wylądować. Nie oznacza to jednak, że są całkowicie jednorodne. Tworzący je wodór zwiększa gęstość wraz z głębokością, a przechodząc do tak zwanego stanu nadkrytycznego (w punkcie krytycznym zanika różnica gęstości między fazą ciekłą a gazową), zmienia się w ciecz. Jeszcze głębiej, pod wpływem ogromnego ciśnienia zmienia się w tzw. wodór zjonizowany lub metaliczny. To właśnie on otacza jądra planet.
Dzięki obserwacjom Jowisza wiemy, że w górnych warstwach atmosfery tej planety gazowej prędkość wiatru dochodzi w porywach do 550 km/godz. Co ciekawe, energia niezbędna do wprawienia w ruch mas gazowych wierzchniej partii planety nie pochodzi z promieniowania słonecznego. Jest dostarczana z ciepła płynącego z wnętrza Jowisza.
O tym, jak burzliwe procesy zachodzą na największej planecie gazowej Układu Słonecznego najlepiej świadczy kolosalnie wielki, owalny wir burzowy, zwany Wielką Czerwoną Plamą. Gigantyczny cyklon ma naprawdę imponujące rozmiary – 25 na 12 tys. kilometrów.
Planety gazowe – Saturn
Na kolejnej po Jowiszu planecie gazowej w Układzie Słonecznym, czyli Saturnie, wiatry wieją jeszcze silniej. Według wyliczeń prędkość wiatru może tam dochodzić nawet do 1800 km/godz. Jednak tym, co najbardziej wyróżnia Saturna, są jego charakterystyczne pierścienie. Składają się z lodu i z odłamków skalnych pochodzących z czasów formowania się Układu Słonecznego. To po prostu materiał „złapany” przez grawitację Saturna, lecz niewykorzystany do budowy planety. Pierścienie tej planety zostały podzielone na dziewięć głównych części składających się z wielkiej liczny pomniejszych „obrączek”.
Saturn jest też prawdziwym rekordzistą w kwestii liczby księżyców. Ma ich aż 82, z czego 53 mają oficjalne nazwy. Do tego dochodzą setki „księżyców karłowatych” w pierścieniach planetarnych. Księżyc Saturna Tytan jest drugim największym księżycem Układu Słonecznego, zaraz po księżycu Jowisza Ganimedesie. Tytan jest jedynym księżycem w Układzie Słonecznym posiadającym gęstą atmosferę.
Jowisz ma niewiele mniej księżyców od Saturna. Naliczono ich do tej pory 79. Patrząc na masę planety oraz liczbę księżyców często mówi się o Jowiszu nie jako o planecie, ale całym Układzie Jowisza. Czymś w rodzaju pomniejszonej kopii Układu Słonecznego.
Planety gazowe – Uran i Neptun
Co z Uranem i Neptunem? Przez wiele lat były również określane jako planety gazowe. Jednak w ostatnich czasach częściej nazywa się je lodowymi gigantami. Wszystko dlatego, że poza wodorem i helem, składają się z cięższych substancji lotnych. Mówi się, że składają się z lodów, przy czym lód odnosi się do lotnych związków chemicznych o temperaturze zamarzania powyżej 100 K, takich jak woda, amoniak lub metan, z temperaturami zamarzania odpowiednio 273 K (0 st. C), 195 K (minus 78 st. C) i 91 K (minus 182 st. C).
Planety gazowe – misje kosmiczne
Lodowe olbrzymy jeszcze nigdy nie były obiektami bezpośrednich misji kosmicznych. Inaczej ma się sprawa z Jowiszem i z Saturnem. Tego ostatniego badała m.in. sonda Cassini-Huygens. Natomiast Jowisz był celem wyjątkowo przełomowej misji Galileo – od imienia Galileusza, który jako pierwszy odkrył i opisał cztery księżyce Jowisza, zwane do dziś galileuszowymi.
W tym roku w kierunku Jowisza wystartuje też długo oczekiwana misja JUICE. Biorą w niej udział też polskie instytucje, w tym Centrum Badań Kosmicznych PAN i Astronika. Ale warto pamiętać, że pierwszy historyczny przelot w pobliżu Jowisza miał miejsce 50 lat temu, w 1972 r. Wykonała go sonda Pioneer 10.
Planety gazowe – egzoplanety
Na odkrycie pierwszych egzoplanet musieliśmy czekać do 9 stycznia 1992 roku. Wówczas w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature” ukazał się przełomowy artykuł polskiego astronoma Aleksandra Wolszczana i Kanadyjczyka Dale’a A. Fraila, zatytułowany „A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12” (System planetarny wokół pulsara milisekundowego PSR1257 + 12). Aleksander Wolszczan potwierdził tym samym to, co część astronomów podejrzewała od dawna: poza Układem Słonecznym także mogą występować planety.
Jedną z najbardziej znanych egzoplanet w typie gorącego Jowisza jest 51 Pegasi, odkryta w 1995 roku. Jest to pierwsza pozasłoneczna planeta orbitująca wokół gwiazdy przypominającej nasze Słońce.
Trzydzieści lat później katalog odkrytych egzoplanet liczy pięć tysięcy pozycji, a znaczą jego część zajmują właśnie planety gazowe nazywane jowiszami. A chociaż te odkryte przez prof. Wolszczana zalicza się do planet skalistych, to jedna z hipotez głosi, iż były one niegdyś gazowymi olbrzymami. Miały utracić swoje atmosfery i opaść na niższe orbity w wyniku eksplozji pobliskiej supernowej. W efekcie wokół pulsara pozostały tylko skaliste globy skąpane w jego promieniowaniu.
Planety gazowe – badania egzoplanet
Teraz wiemy, że planet w typie Jowisza jest w kosmosie bardzo dużo. Właśnie trwają prace nad obserwatorium kosmicznym ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey). Celem projektu ma być obserwacja atmosfer tysiąca egzoplanet w typie Jowisza. Po raz pierwszy w historii do tak szczegółowego zadania zostaną zaprzęgnięte algorytmy uczenia maszynowego.
Obserwatorium ma zostać wyniesione na orbitę w 2028 r., jednak prace nad projektem są już bardzo zaawansowane. Wkład w misję mają też polscy naukowcy z dr. hab. Mirosławem Ratajem z CBK PAN na czele.
