Sao Mộc

Cấu trúc

Sao Mộc chủ yếu chứa vật chất ở trạng thái khí và lỏng. Nó là hành tinh khí khổng lồ lớn nhất trong hệ Mặt Trời với đường kính 142.984 km tại xích đạo. Khối lượng riêng trung bình của hành tinh bằng 1,326 g/cm³, và có khối lượng riêng lớn nhất trong số bốn hành tinh khí khổng lồ. Tuy thế mật độ này nhỏ hơn bất kỳ khối lượng riêng của các hành tinh đất đá.

Thành phần

Trong tầng thượng quyển của Sao Mộc chứa khoảng 88–92% hiđrô và 8–12% heli theo phần trăm thể tích hoặc tỷ lệ phân tử khí. Do nguyên tử heli có khối lượng gấp bốn lần khối lượng của nguyên tử hiđrô, thành phần này thay đổi khi miêu tả theo tỷ số khối lượng phân bố theo những nguyên tố khác nhau. Do vậy, khí quyển hành tinh chứa xấp xỉ 75% hiđrô và 24% heli theo khối lượng, với khoảng 1% còn lại là của các nguyên tố khác. Càng đi sâu vào bên trong hành tinh thì nó chứa những vật liệu nặng hơn cũng như mật độ lớn hơn như bao gồm gần 71% hiđrô, 24% heli và 5% các nguyên tố khác theo khối lượng. Khí quyển cũng chứa dấu vết của các hợp chất mêtan, hơi nước, amoniac, và hợp chất của silic. Cũng có sự xuất hiện của cacbon, êtan, hydro sulfua, neon, ôxy, phosphine, và lưu huỳnh. Lớp ngoài cùng của khí quyển còn chứa tinh thể băng amoniac. Thông qua ảnh chụp của các thiết bị hồng ngoại và tia tử ngoại, các nhà khoa học cũng tìm thấy dấu hiệu các phân tử benzen và những hiđrôcacbon khác.
Tỉ lệ xuất hiện của hiđrô và heli là rất gần với tính toán lý thuyết về thành phần của tinh vân Mặt Trời nguyên thủy. Tỷ lệ neon trong tầng thượng quyển chỉ chiếm khoảng 20 phần triệu theo khối lượng, hay bằng một phần mười tỷ lệ của nó trong lòng Mặt Trời. Heli trong khí quyển cũng bị suy giảm dần, và tỷ lệ nguyên tử này trong Mộc Tinh chỉ bằng khoảng 80% so với của Mặt Trời. Nguyên nhân của sự suy giảm có thể là từ hiện tượng giáng thủy của nguyên tố này rơi vào trong lòng hành tinh. Tỷ lệ của những khí hiếm nặng hơn heli trong khí quyển Sao Mộc gấp hai đến ba lần của Mặt Trời.
Dựa trên nghiên cứu quang phổ, các nhà khoa học cho rằng Sao Thổ có thành phần tương tự như của Sao Mộc, nhưng hai hành tinh khí khổng lồ còn lại là Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có tỷ lệ hiđrô và heli thấp hơn khá nhiều. Bởi vì chưa có một thiết bị do thám nào thả rơi vào tầng khí quyển của ba hành tinh khí khổng lồ ngoại trừ Mộc Tinh, các nhà khoa học vẫn chưa biết tỷ lệ có mặt chính xác của những nguyên tố nặng trong bầu khí quyển của chúng.

Khối lượng

Khối lượng của Sao Mộc bằng khoảng 2,5 lần tổng khối lượng của tất cả các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời— khối lượng của nó lớn đến nỗi khối tâm của nó và Mặt Trời nằm bên ngoài bề mặt Mặt Trời ở vị trí khoảng 1,068 bán kính tính từ tâm Mặt Trời. Mặc dù Trái Đất khá nhỏ so với hành tinh khí này với 11 lần lớn hơn, Sao Mộc có khối lượng riêng trung bình nhỏ hơn. Thể tích của Sao Mộc bắng 1.321 lần thể tích Trái Đất, nhưng hành tinh có khối lượng chỉ gấp 318 lần. Bán kính Sao Mộc chỉ bằng khoảng 1/10 bán kính Mặt Trời, và khối lượng bằng 0,001 lần khối lượng Mặt Trời, do vậy khối lượng riêng trung bình của nó so với Sao Thổ là xấp xỉ như nhau. Các nhà vật lý thiên văn thường sử dụng đơn vị "khối lượng Sao Mộc" (MJ hay MJup) để tính giá trị của những thiên thể khác, đặc biệt là khối lượng của Hành tinh ngoài hệ Mặt Trời và các sao lùn nâu. Ví dụ, hành tinh HD 209458 b có khối lượng xấp xỉ 0,69 MJ, trong khi hành tinh Kappa Andromedae b có khối lượng tới 12,8 MJ.
Mô hình lý thuyết cho kết quả nếu Sao Mộc có khối lượng lớn hơn nhiều so với hiện tại, hành tinh này sẽ co thể tích lại. Đối với sự biến đổi khối lượng nhỏ, bán kính của nó sẽ không thay đổi nhiều, nhưng với khối lượng 500 M⊕ (hay 1,6 khối lượng Mộc Tinh) cấu trúc bên trong của nó sẽ bị nén nhiều hơn dưới tác dụng của lực hấp dẫn khiến thể tích của nó giảm mặc dù khối lượng của nó tăng lên. Kết quả là, Sao Mộc có đường kính cỡ một hành tinh băng đá với thành phần của nó và trải qua lịch sử tiến hóa như các hành tinh khí khác. Nếu khối lượng của nó lớn nhiều hơn thì thể tích tiếp tục giảm cho đến khi mật độ và nhiệt độ tại tâm của hành tinh này có thể đủ điều kiện cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra như trong sao lùn nâu với khối lượng vào khoảng 50 lần khối lượng Sao Mộc.
Mặc dù Sao Mộc cần khoảng 75 lần khối lượng của nó để phản ứng nhiệt hạch tổng hợp xảy ra, sao lùn đỏ chỉ có bán kính bằng khoảng 30 phần trăm bán kính của Sao Mộc. Tuy thế, hiện nay Mộc tinh vẫn phát ra nhiều năng lượng nhiệt hơn so với nhiệt lượng nó nhận được từ Mặt Trời; năng lượng này tạo ra bên trong hành tinh gần bằng lượng bức xạ Mặt Trời mà nó nhận được. Lượng nhiệt bức xạ dư ra có nguyên nhân từ cơ chế Kelvin–Helmholtz thông qua quá trình co đoạn nhiệt. Quá trình này làm cho hành tinh co lại khoảng 2 cm mỗi năm. Khi hành tinh mới hình thành, Sao Mộc nóng hơn và có đường kính lớn gấp 2 lần đường kính hiện nay.

Cấu trúc bên trong

Các nhà khoa học nghĩ rằng Sao Mộc chứa một lõi gồm hỗn hợp các nguyên tố nặng, bao phủ bởi lớp chất lỏng hiđrô kim loại cùng heli, và bên ngoài là lớp khí quyển chứa đa số phân tử hiđrô. Ngoài những miêu tả sơ lược về cấu trúc của nó, vẫn còn những yếu tố bất định trong mô hình này. Các nhà vật lý thường miêu tả lõi hành tinh là lõi đá, nhưng chi tiết thành phần lõi chứa gì thì họ vẫn chưa thể khẳng định được, hay như tính chất vật liệu phân bố theo độ sâu, áp suất và nhiệt độ chưa cụ thể (xem bên dưới). Năm 1997, nhờ đo quỹ đạo của tàu Galileo mà các nhà khoa học có thể suy luận ra sự tồn tại của lõi cứng nhờ ảnh hưởng hấp dẫn của hành tinh lên con tàu, và họ thu được khối lượng của lõi vào khoảng từ 12 đến 45 lần khối lượng Trái Đất hay gần bằng 3%–15% tổng khối lượng Sao Mộc.
Sự có mặt của lõi trong lịch sử hình thành Sao Mộc gợi ra mô hình tiến hóa hành tinh bao gồm sự hình thành đầu tiên của một lõi đá hay băng mà có khối lượng đủ lớn để thu hút lượng khổng lồ hiđrô và heli từ tinh vân Mặt Trời. Giả sử rằng lõi tồn tại, nó đã phải co lại thông qua những dòng đối lưu của hiđrô kim loại lỏng trộn lẫn vào lõi tan chảy và mang theo những nguyên tố nặng hơn vào bên trong hành tinh. Cũng có thể lõi cứng này bây giờ đã biến mất hoàn toàn, do những đo đạc hấp dẫn từ tàu vũ trụ chưa đủ độ tin cậy để loại trừ khả năng này.
Độ bất định trong mô hình hành tinh gắn chặt với biên độ sai số của những phép đo tham số hành tinh hiện nay: đó là hệ số tốc độ quay của hành tinh (J₆) nhằm để miêu tả mô men hấp dẫn của Sao Mộc, bán kính xích đạo Sao Mộc, và nhiệt độ tại mức áp suất 1 bar. Tàu Juno, phóng lên từ tháng 8 năm 2011, được hi vọng sẽ thu hẹp sai số của những tham số này, và do đó đưa mô hình lõi hành tinh lên độ tin cậy cao hơn.
Bao quanh lõi hành tinh là lớp phủ hiđrô kim loại, mở rộng ra khoảng 78% bán kính Sao Mộc. Những giọt heli và neon giáng thủy-trong hiện tượng giống như mưa-rơi xuống lớp này, làm mật độ của những nguyên tố này sụt giảm trong khí quyển bên trên.
Bên trên lớp hiđrô kim loại là một lớp khí quyển hiđrô trong suốt. Ở độ sâu này, nhiệt độ cao hơn nhiệt độ giới hạn, mà đối với hiđrô chỉ bằng 33 K (xem hiđrô). Trong trạng thái này, không có sự rạch ròi giữa pha khí và lỏng của hiđrô—hiđrô ở trạng thái chảy siêu giới hạn. Các nhà khoa học thường coi hiđrô ở trạng thái khí trong khí quyển từ những đám mây mở rộng sâu xuống cho đến độ sâu khoảng 1.000 km, và có trạng thái lỏng ở những lớp sâu hơn. Về mặt vật lý, không có biên giới rõ cho chất khí khi nó trở lên nóng hơn và đậm đặc hơn khi đi sâu vào bên trong hành tinh.
Nhiệt độ và áp suất tăng đều đặn bên trong Sao Mộc khi đi về lõi của nó. Tại vùng chuyển pha nơi hiđrô có nhiệt lượng vượt điểm giới hạn của nó để trở thành kim loại, người ta cho rằng nhiệt độ vùng này lên tới 10.000 K và áp suất bằng 200 GPa. Nhiệt độ tại biên giới với lõi ước lượng khoảng 36.000 K và áp suất ở sâu bên trong bằng 3.000–4.500 GPa.

Các tầng mây

Sao Mộc bị bao phủ vĩnh cửu các tầng mây chứa tinh thể amoniac và có thể amonium hiđrô sunfit. Các tầng mây nằm ở vị trí biên giới với tầng đối lưu và sắp xếp thành những dải mây khác nhau theo vĩ độ, mà các nhà thiên văn gọi là những "vùng nhiệt đới". Những vùng này được chia nhỏ thành những đới (zone) có màu sắc nhẹ và vành đai có màu tối hơn. Sự tương tác giữa những phần hoàn lưu là nguyên nhân hình thành các cơn bão và luồng xoáy. Tốc độ gió cỡ 100 m/s (360 km/h) là thường gặp trong zonal jets. Các nhà khoa học cũng quan sát thấy các biến đổi theo độ rộng, màu sắc và mật độ ở những đới này theo năm, nhưng chúng vẫn có đủ độ ổn định cho phép họ đặt tên phân biệt từng đới.
Tầng mây sâu khoảng 50 km, và chứa ít nhất hai lớp mây: lớp dày và thấp phía dưới cong lớp mỏng ở phía trên. Cũng có những lớp mỏng chứa đám mây nước bên dưới lớp mây amoniac, chúng được phát hiện thông qua ánh chớp tia sét trong khí quyển Sao Mộc. Do nước trong các đám mây có tính phân cực tạo ra hiệu điện thế giữa các đám mây và gây nên sét. Những hiện tượng phóng điện này có thể mạnh gấp hàng nghìn lần tia sét trong khí quyển Trái Đất. Các đám mây nước có thể hình thành theo những cơn bão do luồng nhiệt dâng lên từ phía trong hành tinh. Năm 2013, kính thiên văn không gian Herschel phát hiện ra sự phân bố của nước trong tầng bình lưu tập trung chủ yếu ở bán cầu nam Sao Mộc, và chứng tỏ thuyết phục rằng nước trên hành tinh này có nguồn gốc từ các sao chổi rơi xuống.
Những đám mây có màu vàng và nâu trong khí quyển Sao Mộc là do những hợp chất bay lên cao khi chúng chịu bức xạ tia tử ngoại đến từ Mặt Trời. Các nhà khoa học vẫn chưa biết cơ chế chính xác, nhưng chất cơ bản trong các đám mây này là phốtpho, lưu huỳnh hoặc có thể là các hiđrô cácbon. Những hợp chất màu sắc này, hay nhóm mang màu (chromophore), trộn lẫn vào trong các lớp mây thấp hơn và ấm hơn. Các đới hình thành do những vùng khí đối lưu dâng lên tạo ra hiện tượng tinh thể hóa của amoniac và cản trở các nhà khoa học có thể quan sát những lớp mây ở dưới thấp hơn.
Độ nghiêng trục quay của Sao Mộc khá nhỏ có nghĩa là hai cực của nó không mấy khi nhận được nhiều bức xạ Mặt Trời hơn vùng xích đạo. Nhờ hiện tượng đối lưu xảy ra bên trong hành tinh mà lượng nhiệt nội lực được vận chuyển lên hai vùng cực, giúp cân bằng nhiệt độ giữa các tầng mây.

Vết Đỏ Lớn và những xoáy khí quyển khác

Đặc trưng nổi tiếng nhất của Sao Mộc có lẽ là Vết Đỏ Lớn, một cơn bão có chiều quay ngược với chiều tự quay của Sao Mộc và đường kính thường lớn hơn Trái Đất, nằm ở vĩ độ Nam 22° dưới đường xích đạo. Nó đã tồn tại từ ít nhất năm 1831, và có thể là từ 1665. Một số mô hình toán học gợi ra rằng cơn bão là đặc trưng ổn định trong khí quyển hành tinh. Kích thước cơn bão đủ lớn để nhận qua kính thiên văn nghiệp dư nhìn từ mặt đất với độ mở 12 cm hoặc lớn hơn.
Vết Đỏ Lớn có hình oval quay ngược chiều kim đồng hồ, với chu kỳ khoảng sáu ngày. Kích thước của nó vào khoảng 24–40.000 km × 12–14.000 km. Nó đủ lớn để chứa từ hai đến ba hành tinh có đường kính bằng của Trái Đất. Độ cao lớn nhất của cơn bão khoảng 8 km bên trên so với những đỉnh các đám mây xung quanh.
Những cơn bão như vậy là những đặc điểm thường gặp trong khí quyển hỗn loạn của các hành tinh khí khổng lồ. Sao Mộc cũng còn chứa một số cơn bão hình oval màu trắng và màu nâu nhỏ khác nhưng không được đặt tên chính thức. Những cơn bão oval màu trắng chứa các đám mây tương đối lạnh bên trên thượng quyển. Cơn bão màu nâu thì ấm hơn và nằm ở những "đám mây thông thường" thấp hơn. Những cơn bão này có thể tồn tại từ vài giờ cho đến hàng thế kỷ.
Ngay cả khi tàu Voyager gửi về những đặc điểm của cơn bão này, đã có những manh mối thuyết phục về cơn bão không liên quan đến đặc điểm bất kỳ nào sâu ở bên dưới bề mặt hành tinh, như xoáy bão quay vi sai so với phần khí quyển còn lại bao quanh, đôi khi nhanh hơn đôi khi chậm hơn. Trong suốt thời gian các nhà thiên văn theo dõi hoạt động của vết đỏ trong lịch sử, nó đã đi vòng quanh hành tinh được vài lần so với bất kỳ một điểm cố định nào dưới nó.
Năm 2000, các nhà khoa học phát hiện một đặc điểm khí quyển hình thành phía nam bán cầu nhưng nhỏ hơn và giống với Vết Đỏ Lớn. Cơn bão nhỏ này hình thành khi một vài cơn bão oval trắng nhỏ hơn kết hợp lại thành một cơn bão duy nhất— ba cơn bão nhỏ hơn này đã được quan sát đầu tiên từ năm 1938. Các nhà khoa học đặt tên cho đặc trưng sáp nhập này là Oval BA, hay họ gọi là Vết Đỏ Nhỏ. Nó đã tăng mật độ và thay đổi màu sắc từ trắng sang đỏ.

Quỹ đạo và sự tự quay

Sao Mộc là hành tinh duy nhất có khối tâm với Mặt Trời nằm bên ngoài thể tích của Mặt Trời, tuy chỉ chưa tới 7% bán kính Mặt Trời. Khoảng cách trung bình giữa Sao Mộc và Mặt Trời là 778 triệu km (bằng 5,2 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời, hoặc 5,2 AU) và nó hoàn thành một vòng quỹ đạo bằng 11,86 năm Trái Đất. Giá trị này bằng 2/5 chu kỳ quỹ đạo của Sao Thổ, và tạo thành giá trị cộng hưởng quỹ đạo 5:2 giữa hai hành tinh lớn nhất trong hệ Mặt Trời. Mặt phẳng quỹ đạo elip của Sao Mộc nghiêng 1,31° so với mặt phẳng hoàng đạo. Bởi vì độ lệch tâm quỹ đạo bằng 0,048, khoảng cách từ Sao Mộc đến Mặt Trời thay đổi khoảng 75 triệu km giữa điểm cận nhật và điểm viễn nhật, hay là điểm gần nhất và xa nhất của hành tinh trên quỹ đạo.
Độ nghiêng trục quay của Sao Mộc tương đối nhỏ; chỉ 3,13°. Kết quả là hành tinh không có sự thay đổi lớn của các mùa, ngược lại so với Trái Đất và Sao Hỏa.
Tốc độ tự quay của Mộc Tinh là lớn nhất trong Hệ Mặt Trời, hoàn thành một vòng quay quanh trục của nó chỉ hết ít hơn 10 giờ; mômen động lượng lớn cũng tạo ra chỗ phình xích đạo mà có thể dễ nhìn từ Trái Đất qua các kính thiên văn nghiệp dư. Hành tinh có dạng hình phỏng cầu, đường kính tại xích đạo của nó lớn hơn đường kính giữa hai cực. Đối với Sao Mộc, đường kính xích đạo lớn hơn đường kính giữa hai cực khoảng 9275 km.
Bởi vì Sao Mộc không phải là vật thể rắn, tầng thượng quyển của nó chịu sự quay vi sai (differential rotation). Tốc độ tự quay của Mộc Tinh của khí quyển tại hai cực lâu hơn khoảng 5 phút so với của khí quyển tại vùng xích đạo. Các nhà khoa học sử dụng ba hệ thống quy chiếu nhằm vẽ các đặc điểm chuyển động trong khí quyển Sao Mộc. Hệ I áp dụng cho những vùng có vĩ độ từ 10° Bắc đến 10° Nam; đây là vùng có chu kỳ quay ngắn nhất, khoảng 9h 50m 30,0s. Hệ II áp dụng cho mọi vĩ độ bắc và nam ngoài vùng I; chu kỳ của nó bằng 9h 55m 40,6s. Hệ III được xác định đầu tiên bởi các nhà thiên văn vô tuyến, tương ứng với sự tự quay quanh trục của từ quyển hành tinh; các nhà thiên văn học coi nó là chu kỳ tự quay chính thức của Sao Mộc.

Quan sát

Sao Mộc là thiên thể sáng thứ tư trên bầu trời (sau Mặt Trời, Mặt Trăng và Sao Kim); có lúc Sao Hỏa sáng hơn Sao Mộc. Phụ thuộc vào vị trí của Sao Mộc với Trái Đất, cấp sao biểu kiến của nó thay đổi từ −2,9 tại vị trí xung đối giảm xuống −1.6 trong thời gian giao hội với Mặt Trời. Đường kính góc của Sao Mộc do vậy cũng thay đổi từ 50,1 xuống 29,8 giây cung. Những lần xung đối lý thú xuất hiện khi Sao Mộc tiến tới cận điểm quỹ đạo, sự kiện xảy ra chỉ một lần đối với một chu kỳ quỹ đạo. Lần gần đây nhất Sao Mộc ở cận điểm quỹ đạo vào tháng 3 năm 2011, và vị trí xung đối là vào tháng 9 năm 2010.
Trái Đất vượt trước Sao Mộc cứ mỗi 398,9 ngày khi nó quay quanh Mặt Trời, hay chính là chu kỳ giao hội của hai hành tinh. Và như vậy, Sao Mộc hiện lên trên nền trời với chuyển động giật lùi so với các ngôi sao ở xa. Hay trong một thời gian, Sao Mộc đi giật lùi trong bầu trời đêm, thực hiện một chuyển động vòng tròn biểu kiến.
Chu kỳ quỹ đạo xấp xỉ 12 năm của Sao Mộc tương ứng với 12 cung Hoàng Đạo, và về nguồn gốc lịch sử có thể là lý do cho số lượng cung hoàng đạo là 12. Hay mỗi lần Sao Mộc đến vị trí xung đối nó tiến về phía đông khoảng 30°, bằng bề rộng một cung hoàng đạo.
Bởi quỹ đạo Sao Mộc nằm bên ngoài quỹ đạo Trái Đất, góc pha của Sao Mộc khi nhìn từ Trái Đất không bao giờ vượt quá 11,5°. Do vậy, hành tinh luôn luôn hiện ra gần như một đĩa tròn khi nhìn qua kính thiên văn trên mặt đất. Chỉ có những phi vụ tàu không gian bay đến Sao Mộc mới quan sát hình ảnh lưỡi liềm của Sao Mộc.

Tương tác với Hệ Mặt Trời

Cùng với Mặt Trời, ảnh hưởng hấp dẫn của Sao Mộc tạo nên cấu trúc Hệ Mặt Trời. Quỹ đạo của hầu hết các hành tinh trong Thái Dương hệ nằm gần với mặt phẳng quỹ đạo của Sao Mộc hơn mặt phẳng xích đạo của Mặt Trời (Sao Thủy là hành tinh duy nhất nằm gần nhất với mặt phẳng xích đạo Mặt Trời với quỹ đạo của nó hơi nghiêng), khoảng trống Kirkwood trong vành đai tiểu hành tinh chủ yếu do ảnh hưởng hấp dẫn của Sao Mộc, và hành tinh này cũng hút phần lớn các tiểu hành tinh nhỏ trong giai đoạn các hành tinh vòng trong chịu những trận mưa thiên thạch cuối cùng trong lịch sử hệ Mặt Trời.
Cùng với các vệ tinh của nó, trường hấp dẫn của Sao Mộc điều khiển rất nhiều tiểu hành tinh thuộc vào các điểm Lagrange tiến trước và sau theo Sao Mộc trên quỹ đạo của nó quanh Mặt Trời. Chúng là những tiểu hành tinh Troia, và các nhà thiên văn chia ra làm hai nhóm mang tên "Hy Lạp" và "Troia" theo trong sử thi Iliad. Tiểu hành tinh đầu tiên trong số này, 588 Achilles, do nhà thiên văn học Max Wolf phát hiện năm 1906; và từ đó đến nay có khoảng hai nghìn tiểu hành tinh trong các nhóm được phát hiện. Tiểu hành tinh lớn nhất là 624 Hektor.
Hầu hết các sao chổi chu kỳ ngắn thuộc về họ Mộc Tinh — định nghĩa như là các sao chổi có bán trục lớn nhỏ hơn bán kính quỹ đạo của Sao Mộc. Các nhà khoa học cho rằng sao chổi họ Mộc Tinh hình thành từ vành đai Kuiper bên ngoài quỹ đạo Sao Hải Vương. Trong những lần tiếp cận gần Sao Mộc quỹ đạo của chúng bị nhiễu loạn và dần dần có chu kỳ quỹ đạo nhỏ hơn và đi vào vùng giữa Mặt Trời và Sao Mộc.

Nghiên cứu trước khi có kính thiên văn

Các nhà thiên văn Babylon cổ đại đã quan sát và ghi chép về Sao Mộc từ thế kỷ 7 hoặc 8 trước Công nguyên.
Trong thế kỷ thứ hai mô hình Almagest được nhà thiên văn Hy Lạp cổ đại Claudius Ptolemaeus xây dựng lên mô hình địa tâm hành tinh dựa trên những quan sát về chuyển động tương đối của Sao Mộc so với Trái Đất, khi ông quan sát thấy chu kỳ của nó "quanh" Trái Đất là 4332,38 ngày, hay 11,86 năm.
Năm 499, Aryabhata, nhà thiên văn và toán học cổ đại Ấn Độ, cũng sử dụng mô hình địa tâm và ước lượng chu kỳ của Mộc Tinh là 4332,2722 ngày, hay 11,86 năm.

Quan sát bằng kính thiên văn

Năm 1610, Galileo Galilei sử dụng kính thiên văn do ông tự chế tạo quan sát thấy bốn vệ tinh quay quanh Sao Mộc—Io, Europa, Ganymede và Callisto (mà ngày nay gọi là các vệ tinh Galilei); và được đa số các nhà lịch sử khoa học công nhận là người đầu tiên sử dụng kính thiên vă nhằm quan sát các thiên thể ngoài Trái Đất. Galileo cũng là người đầu tiên phát hiện ra chuyển động thiên thể không phải do cách nhìn Trái Đất là trung tâm của vũ trụ. Đây là một bằng chứng thuyết phục ủng hộ thuyết nhật tâm của Nicolaus Copernicus về chuyển động của các hành tinh; vì những ủng hộ công khai của Galileo cho mô hình Copernicus mà ông bị đưa ra tòa án dị giáo.
Trong thập niên 1660, Cassini sử dụng một loại kính thiên văn mới và ông phát hiện ra những vết và dải nhiều màu sắc trên Sao Mộc và nhận ra hành tinh này phình ra tại xích đạo. Ông cũng thử ước lượng tốc độ tự quay của Sao Mộc. Năm 1690 Cassini nhận ra khí quyển Mộc Tinh thể hiện sự quay vi sai.
Vết Đỏ Lớn, cơn bão hình oval đặc trưng trong khí quyển ở bán cầu nam Sao Mộc, có thể đã được quan sát từ năm 1664 bởi Robert Hooke và năm 1665 bởi Giovanni Cassini, mặc dù chưa có văn bản lịch sử cụ thể rõ ràng ghi nhận điều này. Dược sĩ Samuel Heinrich Schwabe đã vẽ chi tiết về Vết Đỏ Lớn vào năm 1831.
Một số người đã công bố không thấy xuất hiện Vết Đỏ Lớn khi quan sát Sao Mộc trong giai đoạn 1665 và 1708 trước khi nó lại hiện ra vào 1878. Năm 1883 người ta nhận thấy nó đang mờ đi cũng như ở đầu thế kỷ 20.
Cả Giovanni Borelli và Cassini đã ghi chép cẩn thận về chuyển động và chu kỳ của các vệ tinh Sao Mộc, cho phép tiên đoán được thời gian mà các vệ tinh sẽ ở trước hay sau hành tinh. Cho đến thập niên 1670, khi Sao Mộc ở vị trí xung đối với Trái Đất ở hai bên Mặt Trời, chu kỳ quay của vệ tinh Io đã dài thêm khoảng 17 phút so với ghi chép từ trước. Ole Rømer đã quan sát thấy điều này và suy luận ra ánh sáng không có vận tốc tức thời (kết luận bị chính Cassini ban đầu phản đối), và ông cũng ước lượng được tốc độ ánh sáng thông qua độ lệch thời gian này.
Năm 1892, Edward Barnard phát hiện ra vệ tinh thứ năm của Sao Mộc bằng kính thiên văn phản xạ 36 inch (910 mm) ở đài quan sát Lick tại California. Vệ tinh này khá nhỏ, và rất khó nhận ra vào thời điểm đó, điều này khiến ông nhanh chóng trở lên nổi tiếng. Vệ tinh sau đó được đặt tên Amalthea. Nó là vệ tinh tự nhiên cuối cùng được phát hiện bằng quan sát trực tiếp qua bước sóng khả kiến. Và khi tàu Voyager 1 bay ngang qua Sao Mộc năm 1979 nó đã phát hiện ra 8 vệ tinh mới.
Năm 1932, Rupert Wildt nhận ra những vạch hấp thụ của amoniac và mêtan trong khí quyển Mộc Tinh.
Ba cơn bão tồn tại lâu quay ngược chiều kim đồng hồ màu trắng đã được quan sát từ 1938. Trong nhiều thập kỷ chúng vẫn là những đặc điểm rời rạc trên khí quyển Sao Mộc, đôi khi đến gần nhau nhưng chưa hề sáp nhập trước đó. Cuối cùng, hai cơn bão sáp nhập vào năm 1998, và hút cơn bão thứ ba vào năm 2000, và các nhà khoa học hiện nay gọi nó là Oval BA.

Phi vụ Galileo

Cho tới nay chỉ có tàu Galileo là tàu quay quanh Sao Mộc, khi nó đi vào quỹ đạo quanh hành tinh ngày 7 tháng 12 năm 1995. Nó thăm dò được hơn 7 năm, thực hiện nhiều lần bay quan các vệ tinh Galilei và vệ tinh Amalthea. Con tàu cũng đã chứng kiến và gửi về các bức ảnh chụp sao chổi Shoemaker-Levy 9 khi nó đến gần Sao Mộc năm 1994, và đã cho phép các nhà khoa học có cơ hội thuận lợi để theo dõi sao chổi này. Trong phi vụ mở rộng nhằm thu thập thông tin về hệ Mộc Tinh, khả năng thiết kế của nó đã bị giới hạn bởi lỗi bung mở một ăng ten thu phát tín hiệu vô tuyến.
Một thiết bị thăm dò khí quyển cũng tách ra khỏi tàu Galileo tháng 7 năm 1995, và rơi vào khí quyển hành tinh ngày 7 tháng 12. Nó rơi sâu được 150 km qua bầu khí quyển, với thời gian thu thập dữ liệu là 57,6 phút, và đã bị phát nát bởi áp suất khí quyển (lúc bị phá nát áp suất khí quyển bằng 22 lần áp suất khí quyển Trái Đất, với nhiệt độ khí quyển lúc cuối thiết bị đo được 153 °C). Có thể sau đó thiết bị này bị tan chảy và bốc hơi. Tàu Galileo khi kết thúc nhiệm vụ thì các nhà khoa học đã quyết định cho nó rơi vào Sao Mộc vào ngày 21 tháng 9 năm 2003, với vận tốc trên 50 km/s, nhằm tránh bất kỳ một khả năng nào con tàu có thể rơi vào vệ tinh Europa—vệ tinh với giả thuyết có khả năng có sự sống của vi khuẩn trong lòng đại dương giả thuyết của nó.

Phi vụ tương lai

NASA hiện tại đang có một phi vụ bay tới Sao Mộc nhằm nghiên cứu chi tiết các vùng cực cũng như khí quyển hành tinh. Tàu Juno phóng lên từ tháng 8 năm 2011, và sẽ đi vào quỹ đạo cực Sao Mộc cuối năm 2016. Trong tương lai, phi vụ kế hoạch đã được phê chuẩn nhằm nghiên cứu hệ Mộc Tinh do cơ quan ESA đứng đầu, phi vụ Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE), với thời gian dự định phóng lên năm 2022 và tới Sao Mộc khoảng năm 2030, nghiên cứu bốn vệ tinh Galileo và đặc biệt là Europa.

Phi vụ bị hủy bỏ

Bởi vì khả năng có một đại dương chất lỏng dưới bề mặt các vệ tinh Europa, Ganymede và Callisto, các nhà khoa học mong muốn có một dự án nghiên cứu chi tiết hơn những vệ tinh băng đá này. Do khó khăn về tài chính và còn nhiều dự án nghiên cứu thám hiểm không gian vũ trụ khác, vài đề xuất nghiên cứu các vệ tinh này của NASA đã phải hủy bỏ. Dự án Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) của NASA đã hủy bỏ vào năm 2005. Một đề xuất hợp tác giữa NASA/ESA, gọi là EJSM/Laplace, nếu được phát triển sẽ phóng lên vào năm 2020. EJSM/Laplace gồm một tàu quỹ đạo do NASA đứng đầu Jupiter Europa Orbiter, và một tàu quỹ đạo Jupiter Ganymede Orbiter do ESA đứng đầu. Tuy nhiên vào tháng 4 năm 2011, ESA đã phải chính thức kết thúc dự án do NASA bị cắt giảm ngân sách nghiên cứu phát triển do vậy buộc họ phải dừng tham gia dự án. Thay vào đó ESA đã phê chuẩn một phi vụ cấp quan trọng L1 trong chương trình Cosmic Vision, dự án JUICE và khả năng phóng lên vào năm 2022.

Khả năng tồn tại sự sống

Năm 1953, trong thí nghiệm Urey-Miller hai nhà khoa học chứng tỏ rằng khi kết hợp năng lượng tia sét và các hợp chất hóa học tồn tại trong khí quyển nguyên thủy của Trái Đất có thể sinh ra những hợp chất hữu cơ (bao gồm axit amin) mà các nhà khoa học cho rằng chúng là những khối cơ bản của sự sống. Hai ông mô phỏng khí quyển với các phân tử nước, mêtan, amoniac và hiđrô; mọi phân tử này đều có mặt trong khí quyển Sao Mộc. Khí quyển hành tinh này có những luồng đối lưu không khí mạnh thẳng đứng, cho phép mang những hợp chất này xuống dưới sâu hơn. Bên trong hành tinh nhiệt độ khí quyển cao hơn làm bẻ gãy các phân tử hóa học và cản trở sự hình thành những dạng sống nguyên thủy giống như trên Trái Đất.
Đa số các nhà khoa học đồng ý rằng hầu như không thể tồn tại một sự sống kiểu như Trái Đất trên Sao Mộc, do có quá ít lượng nước trong khí quyển, hầu như không có một bề mặt rắn nào dưới sâu hành tinh và càng xuống dưới sâu áp suất càng lớn. Năm 1976, trước phi vụ Voyager, người ta giả thuyết rằng những phân tử cơ sở cho sự sống như amoniac hoặc nước có thể tồn tại trong thượng quyển của Mộc Tinh. Giả thuyết này dựa trên hệ sinh thái biển của Trái Đất mà có những sinh vật phù du đơn giản có thể quang hợp sống gần mặt biển, các loài cá ở tầng nước sâu hơn tiêu thụ các sinh vật này, và những loài săn mồi đại dương bắt cá ăn thịt.
Nếu khả năng tồn tại những đại dương bên dưới bề mặt băng của ba vệ tinh (Europa, Ganymede và Callisto) thì một số nhà khoa học giả thuyết có thể có những vi khuẩn hiếm khí và hiếm sáng sống dưới đó.

Trong thần thoại

Người cổ đại đã biết đến Sao Mộc do hành tinh này có thể nhìn bằng mắt thường trong đêm tối và thậm chí vào lúc bình minh hay hoàng hôn. Người Babylon gọi hành tinh này đại diện cho vị thần "Marduk" của họ. Họ cũng đã sử dụng chu kỳ quỹ đạo gần bằng 12 năm của hành tinh này dọc theo đường Hoàng Đạo để xác định các chòm sao thuộc Hoàng Đạo.
Người La Mã đặt tên hành tinh là Jupiter (tiếng Latinh: Iuppiter, Iūpiter) (cũng gọi là Jove), vị thần nam đứng đầu trong thần thoại La Mã, với cách xưng hô trong ngôn ngữ Proto-Indo-European của từ ghép *Dyēu-pəter (danh cách: *Dyēus-pətēr, có nghĩa "cha của các vị thần bầu trời", hoặc "cha của vị thần ngày"). Vị thần này được người Hy Lạp gọi trong thần thoại Hy Lạp là Zeus (Ζεύς), hoặc Dias (Δίας), là tên của hành tinh mà người Hy Lạp vẫn gọi ngày nay.
Ký hiệu thiên vă học cho hành tinh này là , thể hiện cho cây tầm sét hoặc con đại bàng của thần. Hoặc là viết cách điệu của chữ zeta, chữ đầu trong từ Zeus trong tiếng Hy Lạp.
Jovian là tính từ trong tiếng Anh của từ Jupiter. Dạng cổ của từ này là jovial, dựa theo các nhà chiêm tinh cổ đại thời Trung Cổ có nghĩa là "hạnh phúc" hoặc "vui vẻ," do trong chiêm tinh dấu hiệu sự xuất hiện của thần Jupiter liên quan đến niềm vui.
Trong tiếng Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản và Việt Nam coi hành tinh này là Mộc Tinh, (木星, mùxīng), chính là nguyên tố Mộc (cây cỏ, mùa xuân...) trong Ngũ Hành. Đạo Lão coi nó là sao Phúc trong Phúc Lộc Thọ. Người Hy Lạp còn gọi nó là Φαέθων, Phaethon, "sáng chói." Trong chiêm tinh của người Hindu, các nhà chiêm tinh Hindu đặt tên hành tinh theo vị thần Brihaspati, một trong những "Guru", những vị thần cầu nguyện và tín ngưỡng. Trong tiếng Anh, Thursday có nguồn gốc từ "ngày của thần sét Thor 
", Sao Mộc liên hệ với thần Thor trong thần thoại người German.
Trong thần thoại Trung Á và Thổ Nhĩ Kỳ, Sao Mộc được gọi là "Erendiz/Erentüz", có nghĩa là "sao eren(?)+yultuz". Có rất nhiều nghi vấn trong từ "eren". Người Trung Á cũng đã tính được chu kỳ quỹ đạo của hành tinh này bằng 11 năm và 300 ngày. Họ tin rằng một số sự kiện thiên nhiên và tôn giáo có liên hệ với sự chuyển động của Erentüz trên bầu trời.