แอมัลเธีย (ดาวบริวาร)

การค้นพบ

แอมัลเธียค้นพบในวันที่ 9 เดือนกันยายน พ.ศ. 2435 โดยเอดวาร์ด อีเมอร์สัน บาร์นาร์ดซึ่งใช้กล้องโทรทรรศน์หักเหแสงขนาด 36 นิ้ว (91 เซนติเมตร) ในหอดูดาวลิก แอมัลเธียเป็นดาวบริวารดวงสุดท้ายที่ค้นพบจากการสังเกตภาพโดยตรง (ตรงข้ามกับการสังเกตจากภาพถ่าย) และเป็นดาวบริวารดวงแรกภายหลังจากที่กาลิเลโอ กาลิเลอีค้นพบดวงจันทร์ของกาลิเลโอใน พ.ศ. 2153

ชื่อ

ดวงจันทร์บริวารดวงนี้ได้รับชื่อตามเทพเจ้าจากเทพนิยายกรีกชื่อแอมัลเธียที่เป็นผู้อนุบาลซูส (เทียบได้กับจูปิเตอร์ในเทพปกรณัมโรมัน) ในวัยทารกด้วยนมแพะ การเรียกขานลำดับตามเลขโรมันของดวงจันทร์นี้คือจูปิเตอร์ 5 ชื่อแอมัลเธียไม่ได้รับการรับรองจากสหพันธ์ดาราศาสตร์สากลจนกระทั่ง พ.ศ. 2518 แม้ว่าชื่อนี้จะใช้อย่างไม่เป็นทางการเป็นเวลาหลายทศวรรษก็ตาม ชื่อนี้ได้รับการแนะนำครั้งแรกโดยกามีย์ ฟรามมาร์ยง (Camille Flammarion)  ก่อน พ.ศ. 2518 ชื่อแอมัลเธียไม่ได้ใช้อย่างกว้างขวางดังเช่น จูปิเตอร์ 5

วงโคจร

แอมัลเธียโคจรรอบดาวพฤหัสบดี โดยมีระยะทางห่างจากดาวพฤหัสบดี 181 000 กิโลเมตร (2.54 เท่าของรัศมีของดาวพฤหัสบดี) วงโคจรของแอมัลเธียเป็นวงรีโดยมีความเยื้อง 0.003 และทำมุมเอียง 0.37° กับเส้นศูนย์ของดาวพฤหัสบดี ค่าความเยื้องและมุมเอียงแม้ว่าจะมีขนาดเพียงเล็กน้อยก็ตามเป็นความผิดปกติของวงโคจรของดาวบริวารชั้นในซึ่งเป็นอิทธิพบจากดวงจันทร์ของกาลิเลโอดวงในสุดคือไอโอ: ในอดีตที่ผ่านมาแอมัลเธียได้ผ่านการสั่นพ้องของวงโคจรกับไอโอหลายต่อหลายครั้งจนทำให้เกิดความเยื้องและมุมเอียงดังเช่นปัจจุบัน (การสั่นพ้องของวงโคจรเกิดขึ้นเมื่องอัตราส่วนของคาบการโคจรของวัตถุสองชิ้นเป็นอัตราส่วนจำนวนเต็ม เช่น m:n) 
วงโคจรของแอมัลเธียอยู่ใกล้กับบริเวณขอบด้านนอกของชั้นวงแหวนเบาบางแอมัลเธียซึ่งเป็นวงแหวนที่เกิดขึ้นจากการสะสมของฝุ่นที่หลุดออกจากพื้นผิวของแอมัลเธีย

ลักษณะทางกายภาพ

พื้นผิวของแอมัลเธียเป็นสีแดงเข้ม (เกิดเนื่องจากความสามารถในการสะท้อนแสงที่มากขึ้นตามความยาวคลื่นแสงจากสีเขียวไปยังความยาวคลื่นแสงใกล้แสงอินฟราเรด)  สีแดงที่เกิดขึ้นอาจจะมาจากกำมะถันซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากดวงจันทร์ไอโอ หรือจากวัสดุอื่น ๆ ที่ไม่ใช่น้ำแข็ง รอยแต้มสีเขียวสดใสปรากฏอยู่ตามพื้นที่ลาดชันขนาดใหญ่หลายแห่งบนแอมัลเธียแต่ต้นกำเนิดของสีเขียวสดใสนี้ยังคงเป็นปริศนา พื้นผิวของแอมัลเธียสุกสว่างกว่าพื้นผิวของดาวบริวารชั้นในของดาวพฤหัสบดีดวงอื่น ๆ อยู่เล็กน้อย นอกจากนี้ความสว่างของซีกหัว และซีกหางก็มีความแตกต่างกัน โดยซีกหัวสว่างกว่าซีกหางราว 1.3 เท่า ความไม่สมมาตรนี้อาจจะเกิดจากความเร็วและความถี่ของการพุ่งชนของอุกกาบาตในบริเวณส่วนหัวที่มากกว่าบริเวณส่วนหางซึ่งทำให้สสารที่มีความสุกสว่างซึ่งอาจจะเป็นน้ำแข็งซึ่งอยู่ภายในของดวงจันทร์ถูกกระแทกออกมายังพื้นผิวด้านบนของดวงจันทร์
แอมัลเธียมีรูปร่างที่ไร้รูปทรงโดยมีรูปร่างคล้ายทรงรีขนาดประมาณ 250 x 146 x 128 กิโลเมตร โดยมีขนาดพื้นที่ผิวระหว่าง 88,000 ถึง 170,000 ตารางกิโลเมตร คาดการณ์ว่าน่าจะประมาณ 130,000 ตารางกิโลเมตร แกนยาวของแอมัลเธียจะถูกล็อกด้วยแรงน้ำขึ้นน้ำลงให้ชี้เข้าหาดาวพฤหัสบดีตลอดเวลาซึ่งเป็นปรากฏการณ์เดียวกันกับดาวบริวารชั้นในของดาวพฤหัสบดีดวงอื่น ๆ  พื้นผิวของดวงจันทร์เต็มไปด้วยร่องรอยของการพุ่งชนของอุกกาบาตบางแห่งซึ่งมีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับขนาดของดวงจันทร์ เช่น แอ่งอุตกาบาตแพนซึ่งเป็นหลุมอุกกาบาตที่มีขนาดใหญ่ที่สุดโดยมีขนาดปากหลุมกว้าง 100 กิโลเมตร และลึกไม่ต่ำกว่า 8 กิโลเมตร หลุมอุกกาบาตไกอา กว้าง 80 กิโลเมตรซึ่งอาจจะลึกไม่ต่ำกว่าสองเท่าของความลึกของหลุมอุกกาบาตแพน แอมัลเธียมีภูเขา 2 แห่ง ชื่อ Mons Lyctas และ Mons Ida ซึ่งมีความสูงถึง 20 กิโลเมตร
จากรูปร่างที่ไร้รูปทรงและขนาดที่ใหญ่ของแอมัลเธียทำให้ในอดีตได้มีการสรุปว่าแอมัลเธียมีส่วนประกอบหลักเป็นของแข็งและคงตัว ซึ่งเป็นคำอธิบายว่าถ้าหากว่าส่วนประกอบหลักของดวงจันทร์เป็นน้ำแข็งหรือสสารอ่อนอื่น ๆ ส่วนประกอบเหล่านี้ควรจะถูกแรงดึงดูดของดวงจันทร์เองดึงออกจนกลายเป็นรูปทรงกลมมากกว่ารูปร่างดังเช่นปัจจุบัน อย่างไรก็ตามในวันที่ 5 เดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2548 ยานอวกาศกาลิเลโอได้บินผ่านในระยะห่างต่ำกว่า 160 กิโลเมตรจากแอมัลเธีย และระยะทางที่เบี่ยงเบนของวงโคจรของแอมัลเธียจะใช้ในการคำนวณหามวลของดวงจันทร์ (ปริมาตรของดวงจันทร์ได้คำนวณไว้ก่อนหน้านี้จากการวิเคราะห์ภาพถ่ายที่มีทั้งหมด คาดว่าจะมีความผิดพลาดไม่เกิน 10%)  ในที่สุดเราก็สามารถหาความหนาแน่นของแอมัลเธียได้ 0.86 กรัม ต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร ดังนั้นส่วนประกอบหลักของแอมัลเธียจะต้องเป็นน้ำแข็งหรือโครงสร้างของดวงจันทร์ต้องเป็นโพรงหรือรูพรุน หรือโครงสร้างหรือส่วนประกอบอื่น ๆ ที่ผสมผสานกัน ในการวัดเมื่อเร็ว ๆ นี้ โดยกล้องโทรทรรศน์ซูบารุได้ชี้ว่าดวงจันทร์ประกอบด้วยน้ำแข็งเป็นส่วนประกอบหลัก ซึ่งดวงจันทร์ไม่สามารถก่อตัวขึ้นได้ที่ตำแหน่งปัจจุบัน เนื่องจากดาวพฤหัสบดีในยุคก่อกำเนิดจะมีความร้อนสูงมาก ซึ่งจะละลายดวงจันทร์ก่อนที่ดวงจันทร์จะก่อตัวขึ้นมาได้ ดังนั้น จึงเป็นไปได้สูงที่ดวงจันทร์จะก่อตัวในวงโคจรที่ห่างไกลจากดาวพฤหัสบดี หรืออาจจะเป็นวัตถุที่พลัดหลงเข้ามาในระบบสุริยะและถูกดาวพฤหัสบดีจับยึดไว้ เป็นที่น่าเสียดายว่าไม่มีภาพถ่ายจากยานในขณะที่บินผ่านเนื่องจากเกิดความเสียหายของกล้องถ่ายภาพของยานกาลิเลโอจากการแผ่รังสี ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2545 และภาพถ่ายอื่น ๆ ที่ได้มีความละเอียดต่ำ
แอมัลเธียแผ่ความร้อนออกมามากกว่าที่รับจากดวงอาทิตย์เล็กน้อยซึ่งอาจจะเกิดจากอิทธิพลฟลักซ์ความร้อนของดาวพฤหัส (<9 เคลวิน) แสงแดงซึ่งสะท้อนจากดาวพฤหัสบดี (<5 K) และการโจมตีโดยอนุภาค (<2 K)  ซึ่งเป็นลักษณะเดียวกันกับที่เกิดขึ้นกับดวงจันทร์ไอโอถึงแม้ว่าจะเกิดขึ้นจากต่างสาเหตุกัน

ความสัมพันธ์กับวงแหวนของดาวพฤหัสบดี

เนื่องด้วยความหนาแน่นที่ต่ำมากและรูปร่างที่ไร้รูปทรงของดวงจันทร์ทำให้เกิดความเร็วหลุดพ้น ณ จุดใด ๆ บนพื้นผิวของแอมัลเธียมีค่าไม่เกิน 1 เมตร ต่อ วินาที ซึ่งเป็นค่าที่ห่างไกลจากค่าความเร็วหลุดพ้นของดาวพฤหัสบดีอย่างมาก ที่ความเร็วหลุดพ้นต่ำขนาดนี้แม้แต่ฝุ่นก็สามารถหลุดออกจากดวงจันทร์ได้โดยง่ายแม้เพียงการพุ่งชนของอุกกาบาตขนาดไมโคร ซึ่งฝุ่นที่หลุดออกจากผิวดวงจันทร์นี่เองที่ได้รวมตัวและก่อเกิดเป็นชั้นวงแหวนเบาบางแอมัลเธีย
ในระหว่างที่ยานกาลิเลโอบินผ่านแอมัลเธีย ยานกาลิเลโอได้ตรวจพบสัญญาณกระพริบ 9 ครั้งซึ่งน่าจะเป็นดวงจันทร์ขนาดเล็กซึ่งอยู่ใกล้เคียงกับวงโคจรของแอมัลเธีย เนื่องจากสัญญาณตรวจพบได้จากจุดเดียวเท่านั้น จึงไม่สามารถวัดระยะทางที่แท้จริงได้ ดวงจันทร์ขนาดเล็กอาจมีขนาดได้ตั้งแต่ก้อนกรวดหรือสนามกีฬา ยังไม่เป็นที่ทราบถึงต้นกำเนิดของดวงจันทร์ขนาดเล็กเหล่านี้ บางทีอาจถูกจับไว้โดยแรงดึงดูดในตำแหน่งวงโคจรปัจจุบัน หรืออาจเป็นชิ้นส่วนที่หลุดออกมาเมื่อดวงจันทร์ถูกอุกกาบาตชน ในวงโคจรต่อไปซึ่งเป็นวงโคจรสุดท้ายของยานกาลิเลโอ ยานได้ตรวจพบดวงจันทร์ขนาดเล็กอีกจำนวนมาก อย่างไรก็ตามในครั้งนี้แอมัลเธียได้โคจรอยู่ที่อีกด้านของดางพฤหัสบดี ดังนั้นจึงน่าจะเป็นไปได้ที่วัตถุเหล่านี้จะก่อตัวขึ้นเป็นวงแหวนรอบดาวพฤหัสบดีซึ่งอยู่ใกล้เคียงกับวงโคจรของแอมัลเธีย

ทิวทัศน์ของแอมัลเธียและทิวทัศน์ที่มองจากแอมัลเธีย

จากพื้นผิวของดาวพฤหัสบดีหรือเหนือชั้นเมฆของดาวพฤหสับดี แอมัลเธียจะปรากฏอย่างสุกสว่างด้วยค่าความส่องสว่างปรากฏที่ – 4.7 ซึ่งเป็นความสว่างระดับเดียวกับดาวศุกร์เมื่อมองจากโลก แต่แอมัลเธียปรากฏขนาดเพียง 8 ลิปดา (arcminutes)  ซึ่งมีขนาดเล็กจนสังเกตได้ยาก คาบการโคจรของแอมัลเธียยาวกว่าวันของดาวพฤหัสบดีเพียงเล็กน้อย (สำหรับกรณีนี้ประมาณ 20%) ซึ่งหมายความว่าแอมัลเธียเดินทางข้ามขอบฟ้าของดาวพฤหัสบดีอย่างช้า ๆ เวลาตั้งแต่ดวงจันทร์แอมัลเธียขึ้นถึงดวงจันทร์แอมัลเธียลับขอบฟ้าจะมากกว่า 29 ชั่วโมงจากพื้นผิวของแอมัลเธียดาวพฤหัสบดีปรากฏขนาดใหญ่มากประมาณ 46 องศา แอมัลเธียมีขนาดใหญ่ประมาณ 92 เท่าของจันทร์เต็มดวงเมื่อมองจากโลกเพราะว่าการหมุนไปพร้อมกันกับดาวพฤหัสบดีจะปรากฏคงที่บนท้องฟ้าไม่เคลื่อนที่ไปไหน และจะไม่สามารถมองเห็นได้จากอีกด้านของแอมัลเธีย ดวงอาทิตย์ถูกดาวพฤหัสบดีบดบังราวหนึ่งชั่วโมงครึ่งทุก ๆ ครั้งที่โคจรครบหนึ่งรอบ และด้วยคาบการโคจรของแอมัลเธียที่สั้นมากทำให้มีช่วงเวลากลางวันสั้นกว่าหกชั่วโมง แม้ว่าดาวพฤหัสบดีจะปรากฏความสว่างมากกว่า 900 เท่าเมื่อเทียบกับดวงจันทร์เต็มดวงที่มองจากโลก แต่ก็กระจายไปบนพื้นที่มากกว่า 8500 เท่า ดังนั้น จึงไม่สว่างมากกว่าเมื่อเทียบต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่

การสำรวจ

ในช่วง พ.ศ. 2522 – 2523 ยานอวกาศวอยเอจเจอร์ 1 และ 2 ได้ถ่ายภาพแรกของแอมัลเธียซึ่งแสดงให้เห็นถึงพื้นผิวของแอมัลเธีย แอมัลเธียยังได้รับการตรวจวัดแสงทั้งในย่านความถี่ที่มองเห็นได้และย่านอินฟราเรดและตรวจวัดอุณหภูมิของพื้นผิว ต่อมายานกาลิเลโอได้ถ่ายภาพพื้นผิวของแอมัลเธียโดยสมบูรณ์ ในวันที่ 5 พฤศจิกายน พ.ศ. 2545 ยานกาลิเลโอได้เข้าใกล้แอมัลเธียที่ความสูงประมาณ 160-170 กม. ยานได้ตรวจวัดมวลของแอมัลเธียอย่างแม่นยำและยานกาลิเลโอได้อาศัยแรงดึงดูดของแอมัลเธียในการเปลี่ยนวงโคจรเพื่อพุ่งเข้าไปยังดาวพฤหัสบดีในเดือนกันยายน พ.ศ. 2546 อันเป็นการสิ้นสุดภารกิจของยานกาลิเลโอ ใน พ.ศ. 2549 วงโคจรของแอมัลเธียได้รับการตรวจสอบโดยละเอียดอีกครั้งโดยยานนิวฮอไรซันส์

ในนวนิยาย

แอมัลเธียปรากฏเป็นฉากในบันเทิงคดีแนววิทยาศาสตร์หลายชิ้น รวมทั้งงานของอาร์เธอร์ ซี. คลาร์กและเจมส์ บลิช