Ganymedes (måne)

Omløp og rotasjon

Ganymedes er den tredje av de galileiske satellittene. Den går i bane rundt Jupiter i en avstand av 1 070 400 km og fullfører én runde på syv dager og tre timer. I likhet med de fleste kjente månene har Ganymedes en bundet rotasjon, hvor den samme siden av månen alltid vender mot planeten. Banens svake eksentrisitet og inklinasjon mot den jovianske ekvator endres kvasi-periodisk i skalaene 0,0009–0,0022 og 0,05–0,32° over en tidsskala på århundrer på grunn av perturbasjon fra solen og Jupiter. Banevariasjonene fører til at aksehelningen (vinkelen mellom rotasjonsaksen og baneaksen) varierer fra 0 til 0,33°.
Ganymedes har en baneresonans med Europa og Io; for hvert omløp Ganymedes gjør rundt Jupiter gjør Europa to omløp og Io fire omløp. Den overordnede konjunksjonen med Io forekommer alltid når Io er ved periapsis og Europa ved apoapsis. Den overordnede konjunksjonen med Europa oppstår når Europa er ved periapsis. Lengdene til konjunksjonene for Io-Europa og Europa-Ganymedes endres med samme forhold, og gjør tredoble konjunksjoner umulig. Dette kalles en Laplaceresonans.
Den nåværende Laplace-resonansen tillater ingen høyere baneeksentrisitet. Verdien på ca. 0,0013 er sannsynligvis en rest fra en tidligere epoke da slik økning var mulig. Baneeksentrisiteten er noe gåtefull: Beregninger kan tyde på at hvis den ikke økes nå, skulle den egentlig ha opphørt for lenge siden på grunn av tidevannsdissipasjon i det indre av Ganymedes Dette betyr at den siste eksentrisiteteksitasjonen fant sted for flere hundre millioner år siden. Siden baneeksentrisiteten bare er 0,0015 i gjennomsnitt, er tidevannsoppvarming ubetydelig. I fortiden kan Ganymedes ha gått gjennom en eller flere Laplace-lignende resonanser, hvor lengdene mellom resonansene stod i forhold som var desimaltall i stedet for heltall. Disse resonansene tillot baneeksentrisiteter så høye som 0,01–0,02. Dette kan ha forårsaket en eller flere hendelser med betydelig tidevannsoppvarming, som har dannet det rillede terrenget.
Laplace-resonansen kan ha eksistert siden dannelsen av solsystemet, men kan også ha utviklet seg senere. Et mulig hendelsesforløp er at tidevannsoppvarmingen på innsiden av Io forårsaket at Ios bane utvidet seg til den påtraff 2:1-resonans med Europa. Etter det fortsatte utvidelsen, men noe av vinkelmomentet ble overført til Europa, ettersom resonansen forårsaket at også Europas bane utvidet seg. Prosessen fortsatte helt til Europa nådde 2:1-resonans med Ganymedes. Til slutt ble bevegelsesforholdet til konjunksjonene mellom alle tre månene synkronisert og låst i Laplace-resonansen.

Sammensetning

Gjennomsnittlig tetthet på 1,936 g/cm³ antyder en sammensetning av omtrent like deler av bergarter og vann – hovedsakelig i form av is. Massefraksjonen av is ligger mellom 46 og 50 %, noe lavere enn i Callisto. Flyktige iser som ammoniakk kan også være til stede. Den eksakte sammensetningen av bergartene er ukjent, men ligger trolig nær sammensetningen av L/LL-type kondritter som har mindre totalt jern, mindre metallisk jern og mer jernoksider enn H-kondritter. Vektforholdet mellom jern og silisium er 1,05–1,27, mens forholdet på solen er ca. 1,8.
Overflatens albedo er ca. 43 %. Vann i en fase av is synes å være utbredt på overflaten, med en massefraksjon på 50–90 %, betydelig mer enn i Ganymedes som helhet. Nær-infrarød spektroskopi har avslørt sterke absorpsjonsband på bølgelengder av 1,04, 1,25, 1,5, 2,0 og 3,0 μm. Det riflete terrenget er lysere og har en mer isete sammensetning enn det mørke terrenget. Analyser av høyoppløselige bider i det nær-infrarøde og ultrafiolette spektrum tatt fra bakken og Galileo har vist karbondioksid, svoveldioksid og, muligens cyanogen, svovelsyre og ulike organiske forbindelser. Bilder fra Galileo viste også magnesiumsulfat (MgSO₄) og muligens natriumsulfat (Na₂SO₄) på overflaten. Saltene kan komme fra det underjordiske havet.
Overflaten er asymmetrisk. Den førende halvkulen – som vender mot fartsretningen – er lysere enn den som vender bort. Tilsvarende forhold gjelder for Europa, men for Callisto er det motsatt. Den bakerste halvkulen ser ut til å være beriket med svoveldioksid. Fordelingen av karbondioksid viser ingen tegn på halvkuleasymmetri. Det er likevel observert lite eller ingen karbondioksid nær polene. Nedslagskraterene på Ganymedes viser ikke, med unntak av ett, noen berikelse i karbondioksid, noe som også skiller den fra Callisto. Karbondioksiden på Ganymedes gikk trolig tomt i fortiden.

Indre struktur

Ganymedes ser ut til å være fullt differensiert, bestående av en jernsulfid–jernkjerne, silikatmantel og en ytre ismantel. Modellen støttes av den lave verdien av dens dimensjonsløse treghetsmoment som ble målt under Galileos forbiflyvninger. Faktisk har Ganymedes det laveste treghetsmomentet blant de faste himmellegemene i solsystemet. En flytende, jern-rik kjerne gir en naturlig forklaring på magnetfeltet som ble oppdaget av Galileo. Konveksjonen i det flytende jernet, som har en høy elektrisk ledeevne, er den mest fornuftige modellen for generering av et magnetfelt.
Den nøyaktige tykkelsen på de ulike lagene avhenger av sammensetningen av silikater (fraksjon av olivin og pyroksen) og mengden med svovel i kjernen. De mest sannsynlige verdiene er 700–900 km for kjerneradien og 800–1 000 km for tykkelsen av den ytre ismantelen, mens resten er en silikatmantel. Tettheten av kjernen er 5,5–6 g/cm³ og silikatmantelen er 3,4–3,6 g/cm³. Noen modeller av magnetfeltet krever en fast kjerne utelukkende bestående av jern på innsiden av den flytende Fe–FeS-kjernen – tilsvarende strukturen i jordens kjerne. Radiusen på denne kjernen kan være opp til 500 km. Temperaturen er sannsynligvis 1 500–1 700 K med et trykk opp til 10 GPa.

Overflateformasjoner

Overflaten er en blanding av svært gamle, mørke regioner med mye kratre og noe yngre (men fremdeles eldgamle), lysere regioner markert med et omfattende utvalg av riller og rygger. Det mørke terrenget, som utgjør omtrent én tredjedel av overflaten, inneholder leire og mulige organiske materialer som kan indikere sammensetningen til nedslagsobjektene som de jovianske månene akkrerte fra.
Varmemekanismen som dannet det rillede terrenget er ukjent, men er trolig hovedsakelig  tektonisk. Kryovulkanisme antas å ha spilt liten eller ingen rolle. De kreftene som forårsaket de sterke spenningene i islitosfæren som er nødvendig for å starte tektonisk aktivitet, kan kobles til tidevannsoppvarminger i fortiden, muligens når satellitten passerte gjennom ustabile baneresonanser.
Tidevannsfleksingen av isen kan ha varmet opp det indre, spent litosfæren, og ført til sprekker og forkastninger som fjernet det gamle, mørke terrenget på 70 % av overflaten. Dannelsen av det riflede terrenget kan også ha sammenheng med tidlig kjernedannelse og påfølgende tidevannsoppvarming av månens indre, som kan ha forårsaket en liten utvidelse av Ganymedes på 1–6 % på grunn av faseoverganger i is og varmeekspansjon. Under den påfølgende utviklingen kan dype kolonner av varmt vann ha steget opp fra kjernen til overflaten og ført til tektonisk deformasjon av litsofæren. Radiogen oppvarming er den mest relevante nåværende varmekilden, og bidrar for eksempel til havdypet. Modeller viser at hvis baneeksentrisiteten var en størrelsesorden større enn i dag (som den kan ha vært i fortiden), ville tidevannsoppvarmingen ha vært en mer betydelig varmekilde enn radiogen oppvarming.
Kraterdannelser ses i begge typer av terreng, men er spesielt omfattende i det mørke terrenget som synes å være mettet med kratere og som i stor grad har utviklet seg gjennom nedslagshendelser. Det lysere og rillede terrenget inneholder færre nedslagsformasjoner, som her bare har spilt en mindre rolle for terrengets tektoniske utvikling. Tettheten av kratre indikerer en alder på 4 milliarder år for det mørke terrenget, tilsvarende høylandene på månen, og en noe yngre alder for det rillede terrenget – hvor mye yngre er imidlertid uvisst.
Ganymedes kan ha gjennomgått tunge kraterdannelser for 3,5–4 milliarder år siden liksom månen. Dersom dette stemmer, fant de aller fleste nedslagene sted under denne perioden, mens dannelsen av kratre i senere tid har vært mye mindre. Kratrene både dekker og avskjæres av det rillede terrenget, og indikerer at noe av det rillede terrenget er ganske gammelt. Relativt unge kratre med stråler av oppvirvlet materiale er også synlige. Kratrene er flatere enn de på månen og Merkur. Dette skyldes sannsynligvis den relativt svake naturen av Ganymedes isete skorpe, som kan (eller kunne) flyte og dermed dempe noe av de oppkastede materialene. Gamle kratre hvor det oppkastede materialet har forsvunnet synes nå bare som et «spøkelseskrater» som kalles et palimpsest.
Den mørke sletten Galileo Regio inneholder en rekke konsentriske riller, eller furer, sannsynligvis dannet under en periode med geologisk aktivitet.
Polkappene ble oppdaget av Voyager-sonden, og består trolig av frossent vann som strekker seg opp til 40. breddegrad. Teorier om dannelsen inkluderer forflytning av vann til høyere breddegrader og plasmabombardement av isen. Data fra Galileo antyder det sistnevnte. Magnetfeltet fører til en mer intenst bombardement med ladete partikler av overflaten ved de ubeskyttede polregionene; dette fører så til en omfordeling av vannmolekyler hvor frost forflytter seg til lokalt kaldere områder i polterrenget.

Atmosfære og ionosfære

Den 7. juni 1972 hevdet et lag av indiske, britiske og amerikanske astronomer ved Bosscha-observatoriet i Indonesia å ha oppdaget en tynn atmosfære med et overflatetrykk på ca. 0,1 Pa. Det skjedde under en okkultasjon da Jupiter passerte foran stjernen SAO 186800.
Under forbiflyvningen i 1979 fant Voyager 1 ingen atmosfære. Sonden observerte en okkultasjon av stjernen κ Centauri i det fjern-ultrafiolette spektret ved bølgelengder kortere enn 200 nm. Målingene var mer sensitive for gasser enn målingene i det visuelle spektret i 1972. Den øvre grensen for overflatens nummertetthet var 1,5×10⁹ cm⁻³, som gir et overflatetrykk på under 2,5 µPa.
I 1995 fant likevel Hubble-teleskopet (HST) en tynn atmosfære (eksosfære) av oksygen som ligner Europas. HST observerte airglow av atomisk oksygen i det fjernultrafiolette ved bølgelengdene 130,4 nm og 135,6 nm. Den opplyses når molekylært oksygen dissosieres av elektronnedslag, og er bevis for en betydelig nøytral atmosfære sammensatt hovedsakelig av O₂. Nummertettheten til overflaten ligger sannsynligvis i området 1,2×10⁸–7×10⁸ cm⁻³, som tilsvarer overflatetrykket 0,2–1,2 µPa.
Oksygenet antas å oppstå når vann i en fase av is på overflaten splittes i hydrogen og oksygen av stråling. Hydrogenet forsvinner raskere på grunn av den lave atommassen. Airglowet er ikke romlig homogent som over Europa. HST observerte to lyse flekker i den nordlige og sørlige halvkulen, nær ± 50. breddegrad, som er nøyaktig grensen mellom de åpne og lukkede feltlinjene til magnetosfæren (se under). De lyse flekkene er sannsynligvis polare auroraer forårsaket av plasmanedbør langs de åpne feltlinjene.
En nøytral atmosfære tilsier at en ionosfære eksisterer, fordi oksygenmolekyler ioniseres av nedslagene av energetiske elektroner som kommer fra magnetosfæren og av solens EUV-stråling (ekstrem ultrafiolett stråling). Ionosfærens natur er imidlertid kontroversiell. Noen Galileo-målinger fant en forhøyet elektrontetthet nær månen, som antyder en ionosfære, mens andre målinger ikke oppdaget noe. Elektrontettheten nær overflaten er av ulike kilder anslått til størrelsesorden 400–2 500 cm⁻³. Per 2013 er ionosfærens parametre lite begrenset.
Spektraloppdagelser av gass fanget i isen på overflaten, er tilleggsbeviser for oksygenatmosfæren. Ozon (O₃) ble oppdaget i 1996. I 1997 avslørte spektroskopiske analyser diatomiske absorpsjonslinjer av molekylært oksygen – en slik absorpsjon oppstår hvis oksygen er i en tett fase. Den beste kandidaten er molekylært oksygen fanget i is. Dybden av absorpsjonlinjene avhenger av breddegrad og lengdegrad snarere enn overflaterefleksjon – de avtar med økende breddegrader på Ganymedes, mens O₃ viser en motsatt trend. Laboratorieundersøkelser har vist at O₂ ikke vil samles eller boble, men løses i isen på overflaten ved relativt varme temperaturer på 100 K.
Da det ble funnet natrium på Europa i 1997, ble det også søkt etter natrium i atmosfæren på Ganymedes. Atmosfæren til Ganymedes inneholder under 1/13 av natrium-mengden rundt Europa, muligens på grunn av en relativ mangel på overflaten eller fordi magnetosfæren absorberer energetiske partikler. Hydrogen ble observert så langt unna som 3 000 km fra overflaten. Dens tetthet på overflaten er ca. 1,5×10⁴ cm⁻³.

Magnetosfære

Galileo foretok seks nærpasseringer i perioden 1995–2000 (G1, G2, G7, G8, G28 og G29) og oppdaget et permanent (iboende) magnetisk moment uavhengig av det jovianske magnetfeltet. Verdien for momentet er ca. 1,3×10¹³ T×m³, som er tre ganger større enn Merkurs magnetiske moment. Den magnetiske dipolen heller i 176° i forhold til rotasjonsaksen, og betyr at det er direkte imot det jovianske momentet. Nordpolen ligger over baneplanet. Det dipole magnetiske momentet har en styrke på 719 ± 2 nT ved ekvator, som kan sammenlignes med det jovianske magnetfeltet ved Ganymedes' avstand – ca. 120 nT. Det ekvatoriale feltet er direkte mot det jovianske feltet, som betyr at omkobling er mulig. Den iboende feltstyrken ved polene er to ganger den ved ekvator: 1440 nT.
Det permanente magnetiske momentet skjærer en del av rommet rundt Ganymedes og lager en tynn magnetosfære innebygd i Jupiters – den er eneste kjente måne i solsystemet med magnetosfære. Diameteren til magnetosfæren er 4–5 RG (RG = 2 631,2 km). Magnetosfæren har en region av lukkede feltlinjer under 30° bredde hvor ladete partikler (elektroner og ioner) fanges og lager et strålingsbelte. Den viktigste ionearten er enkeltionisert oksygen – O⁺ – som passer godt med den tynne atmosfæren av oksygen. I polkappeområdene, ved breddegrader høyere enn 30°, er feltlinjene åpne og forbinder Ganymedes med Jupiters ionosfære. I disse områdene har energetiske elektroner blitt oppdaget (titalls og hundretalls av kiloelektronvolt) som kan forårsake auroraene rundt polene. I tillegg faller tunge ioner kontinuerlig ned på poloverflaten og formørker isen.
Vekselvirkningen mellom magnetosfæren og den jovianske plasmaen er på mange måter lik vekselvirkningen mellom solvinden og jordens magnetosfære. Plasmaen som roterer med Jupiter påvirker den bakerste halvkulen mye på samme måte som solvinden påvirker jordens magnetosfære. Hovedforskjellen er hastigheten på plasmastrømmen – supersonisk i tilfellet med jorden og subsonisk i tilfelle med magnetosfæren. På grunn av den subsoniske strømmen er det ingen buesjokk utenfor den bakerste halvkulen.
Et indusert dipolt magnetfelt er knyttet til variasjoner i det jovianske magnetfeltet nær månen. Det er direkte radielt til eller fra Jupiter og følger retningen til den varierte delen av det planetariske magnetfeltet. Det induserte magnetiske momentet er en størrelsesklasse mindre enn det iboende feltet. Feltstyrken er ca. 60 nT ved den magnetiske ekvator – halvparten av det omgivende jovianske feltet. Det induserte magnetfeltet ligner Callistos og Europas, og indikerer at denne månen også har et underjordisk hav med elektrisk kondiktivitet.
Gitt at Ganymedes er fullstendig differensiert med en kjerne av metall, er det iboende magnetfeltet sannsynligvis generert liksom  jordens – av konduktive materialer som beveger seg i det indre. Magnetfeltet er sannsynligvis forårsaket av en kompositorisk konveksjon i kjernen hvis det er produktet av en dynamohendelse eller magnetokonveksjon.
Til tross for jernkjernen er magnetosfæren gåtefull, fordi tilsvarende legemer mangler denne egenskapen. Gitt den relative størrelsen, burde kjernen ha blitt tilstrekkelig avkjølt til at flytende bevegelser og et magnetfelt ikke skulle opprettholdes. En forklaring er at de samme baneresonansene som man tror har forstyrret overflaten, også tillater magnetfeltet å vedvare: Eksentrisiteten heves og tidevannsoppvarmingen øker under slike resonanser, og mantelen har isolert kjernen og beskyttet den mot avkjøling. En annen forklaring er en rest av magnetisering av silikatbergarter i mantelen som er mulig hvis satellitten hadde et mer betydelig dynamogenerert felt i fortiden.

Opprinnelse og utvikling

Ganymedes ble sannsynligvis dannet av en akkresjon i Jupiters tåke, en skive av gass og støv som omga Jupiter etter dannelsen. Akkresjonen av Ganymedes tok sannsynligvis 10 000 år, mye kortere enn  100 000 år estimert for Callisto. Den jovianske tåken kan ha vært relativt «gass-utsultet» da de galileiske månene ble dannet, og muliggjort den lange akkresjonsperioden for Callisto. Ganymedes ble dannet nærmere Jupiter hvor tåken var tykkere, noe som forklarer den kortere akkresjonstiden. Den relativt raske dannelsen hindret at akkresjonsvarmen forsvant, og kan ha ført til issmelting og differensiering – delingen av bergarter og is – der bergartene havnet i midten og dannet kjernen. Callisto feilet tilsynelatende i å smelte og differensiere tildlig på grunn av tap av akkresjonsvarme under den langsomme dannelsen. Hypotesen forklarer hvorfor de to månene ser så ulike ut, selv om massen og sammensetningen er foholdsvis like. Andre teorier forklarer den høyere indre varmen med tidevannsfleksing eller mer intense nedslag fra nedslagsobjekt under det sene tunge bombardementet.
Etter dannelsen beholdt kjernen stort sett varmen som ble akkumulert under akkresjonen og differensieringen – den ble bare sluppet sakte ut i ismantelen som et slags varmebatteri. Mantelen transporterte varmen til overflaten ved konveksjon. Snart begynte radioaktive grunnstoffer i kjernen å varme opp kjernen ytterligere og førte til en økt differensiering; det ble dannet en indre jern–jernsulfid-kjerne og en silikatmantel. Med dette ble Ganymedes et fulldifferensiert legeme. Til sammenligning forårsaket den radioaktive oppvarmingen av den udifferensierte Callisto en konveksjon i det isete indre av månen, som effektivt kjølte den ned og forhindret en storstilt smelting av isen og en rask differensiering. De konvektive bevegelsene i Callisto har bare delvis skilt bergarter og is fra hverandre. I dag fortsetter Ganymedes å avkjøles sakte; varmen fra kjernen og silikatmantelene gjør det mulig for det underjordiske havet å eksistere, mens den sakte avkjølingen av det flytende Fe–FeS-kjernen forårsaker konveksjon og støtter genereringen av et magnetfelt. Den nåværende varmefluksen ut av Ganymedes er sannsynligvis høyere enn den ut av Callisto.

Forskning med romsonder

Så langt har seks romsonder utforsket Ganymedes, mens en er på vei.

Pioneer

Pioneer 10 ankom i 1973 og Pioneer 11 i 1974, og de returnerte informasjon om satellitten. Dette inkluderte mer spesifikt bestemmelsen av fysiske egenskaper og formasjoner ned til en lengde av 400 km på overflaten. Pioneer 10s minste avstand fra månen var 446 250 km den 3. desember 1973.

Voyager

Voyager 1 passerte Ganymedes 6. mars 1979 i en avstand av 114 710 km. Voyager 2 passerte månen 9. juli 1979 i en avstand av 62 130 km. Sondene forbedret størrelsesmålet og avslørte at den var større enn Saturns måne Titan, som tidligere var antatt å være større. Det rillede terrenget ble også oppdaget.

Galileo

I 1995 gikk Galileo-sonden inn i bane rundt Jupiter og foretok mellom 1996 og 2000 seks nære forbiflyvninger for å utforske Ganymedes. Disse passeringene er G1, G2, G7, G8, G28 og G29. G1 fant sted 6. september 1996 i en avstand av bare 262 km, G2 den 4. november 1996 i en avstand av 1 100  km, G7 den 5. april 1997 i en avstand av 3 065 km, G8 den 7. mai 1997 i en avstand av 1 584 km, G28 den 20. mai 2000 i en avstand av 809 km og G29 den 28. desember 2000.
Under G1-forbiflyvningen i 1996 ble magnetfeltet oppdaget, mens havet ble oppdaget i 2001. En siste forbiflyvning fant sted 21. september 2003. Galileo overførte et stort antall spektralbilder og oppdaget flere forbindelser på overflaten som ikke var is.

New Horizons

På vei mot Pluto passerte New Horizons månen 28. februar 2007 i en avstand av 3 017 099 km, og laget kart over topografien og sammensetningen.

Juno

Romsonden Juno ble skutt opp 5. august 2011, og ankom Jupiter 5. juli 2016.

Fremtidige sonder og avbrutte oppdrag

JUpiter ICy moon Explorer (JUICE) ble foreslått i 2011 og fokuserte på Ganymedes og Callisto. Opprinnelsen til denne sonden er det nedlagte prosjektet Europa Jupiter System Mission med det avbrutte oppdraget Jupiter Ganymede Orbiter.
I 2010 kom det også frem i magasinet Planetary Science Decadal Survey at det var foreslått en omløpssonde for Ganymedes basert på Juno.
Russian Space Research Institute evaluerer for tiden oppdraget Ganymede Lander, med vekt på astrobiologi. Planlagt oppskytning er i 2024.
Den planlagte sonden Jupiter Icy Moons Orbiter, med kjernefysisk fisjon som drivstoff og en ionemotor for fremdrift, var tenkt å studere Ganymedes i større detalj enn tidligere. Oppdraget ble avbrutt i 2005 grunnet budsjettkutt. Et annet forslag ble kalt The Grandeur of Ganymedes.