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.[18][19] 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.[20]

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.[21] 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.[22] 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.[23] 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.

So sánh kích thước các hành tinh trong Hệ Mặt Trời

Khối lượng

Đường kính của Sao Mộc bằng khoảng một phần mười (×0,10045) của Mặt Trời, và lớn gấp xấp xỉ mười một lần (×10,9733) hơn đường kính của Trái Đất. Vết Đỏ Lớn có đường kính lớn hơn xấp xỉ so với Trái Đất.

Khối lượng của Sao Mộc bằng khoảng 2,5 lần tổng khối lượng của tất cả các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời[24]— 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.[4][25] Bán kính Sao Mộc chỉ bằng khoảng 1/10 bán kính Mặt Trời,[26] 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.[27] 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.[28]

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.[29] 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)[29] 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.[30] 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.[31]

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.[32][33] 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.[34] 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.[35] Khi hành tinh mới hình thành, Sao Mộc nóng hơn và có đường kính lớn gấp 2 lần đường kính hiện nay.[36]

Cấu trúc bên trong

Minh họa mô hình cấu trúc bên trong của Sao Mộc, với một lõi đá phủ bởi những lớp vật chất lỏng dày của hiđrô kim loại.

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.[35] 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,[35] 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.[34][37]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.[35][38]

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.[39]

Bao quanh lõi hành tinh là lớp phủ hiđrô kim loại, mở rộng ra khoảng 78% bán kính Sao Mộc.[34] 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.[22][40]

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[41] (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,[34] 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.[42][43]

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.[34]

This cut-away illustrates a model of the interior of Jupiter, with a rocky core overlaid by a deep layer of liquid metallic hydrogen.