Spojrzenie w głąb Jowisza rozwiązuje zagadkę jego pasów

Geometryczne wzory cyklonów, dynamiczne zjawiska w atmosferze sięgające daleko w jej głąb - to tylko niektóre odkrycia pierwszego roku badań Jowisza przez sondę Juno. Na łamach ostatniego wydania czasopisma Nature opublikowano cztery obszerne artykuły opisujące strukturę i dynamikę wnętrza, a także niesamowite układy burzowe największej planety Układu Słonecznego.

Zajrzeć do środka używając grawitacji


Gdy myślimy o Jowiszu, pierwsze co widzimy przed oczami to jasne i ciemne pasy atmosfery ułożone wzdłuż równoleżników, złożone z gazów napędzanych silnymi wiatrami w przeciwnych kierunkach. Gdzieś na południowej półkuli uwagę przykuwa Wielka Czerwona Plama - potężny antycyklon, występujący już od kilkuset lat.

Zobacz zdjęcia Wielkiej Czerwonej Plamy na Jowiszu

Powierzchnia planety nie odkrywa przed naukowcami wielu informacji dotyczących procesów zachodzących we wnętrzu planety i niewiele mówi o samej jej strukturze. W tym przypadku pomóc może niebezpośrednia obserwacja i wykorzystanie anomalii pola grawitacyjnego planety. Sonda Juno dokładnie zmapowała grawitację Jowisza i z tych śladów naukowcom udało się wywnioskować dużo na temat tego czy wnętrze gazowego olbrzyma jest tak dynamiczne jak jego powierzchnia. Wiedzę tą możemy też przenieść do modeli innych dużych planet gazowych.

Podróż do wnętrza Jowisza


Animacja ukazująca ruchy chmur wewnątrz Wielkiej Czerwonej Plamy. Została uzyskana łącząc modele ruchu chmur Jowisza ze zdjęciami pozyskanymi przez sondę Juno. Źródło: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstadt/Justin Cowart.

Jowisz to w większości mikstura wodoru i helu - dwóch najprostszych i najpowszechniejszych pierwiastków we Wszechświecie. Swoim składem chemicznym przypomina Słońce, choć jest oczywiście za mało masywny, by mogły w nim zachodzić reakcje termojądrowe. Mimo to wnętrze planety wypromieniowuje znaczącą ilość energii cieplnej, tak dużą w istocie, że można tę ilość porównać z przychodzącą do planety energią od Słońca. To właśnie ta emisja termalna z głębi Jowisza odpowiada za prądy konwekcyjne, które sięgają powierzchni planety.

Pomimo tego, że w ostatnich dekadach poczyniliśmy ogromne postępy w fizyce wysokich ciśnień wodoru i helu, pomiarach pola grawitacyjnego Jowisza i zaawansowanych modelach, odzwierciedlających to co wiemy o strukturze planety, to jednak nadal niewiele wiemy o tym jak przebiega mechanizm konwekcyjny planety i tego czy ta wielkoskalowa konwekcja ma coś wspólnego z charakterystycznymi pasami na powierzchni.

Zobacz też: Naukowcy z Harvardu uzyskali metaliczny wodór?

To właśnie misja Juno, drugiego w historii dedykowanego orbitera Jowisza (po sondzie Galileo) ma przybliżyć nas do odpowiedzi na pytanie o związek równoleżnikowych pasów atmosfery z konwekcją termiczną gazów planety. Jedna możliwość to ścisłe powiązanie prądów konwekcyjnych z głębi planety, znajdujące swoje odzwierciedlenie w charakterystycznej dynamice atmosfery. Alternatywnym scenariuszem jest niezależność tych zjawisk.

Teleskopy kosmiczne i obserwacje naziemne uświadomiły nam jak wiele planet podobnych do Jowisza krąży wokół gwiazd w naszej galaktyce. Odpowiedź na wyżej postawione pytanie może mieć implikacje w rozumieniu fizyki dla całej klasy obiektów takich jak Jowisz.

Efekt Dopplera pomaga w pomiarze masy planety


Sonda Juno co 53 dni zbliża się do Jowisza na odległość zaledwie kilku tysięcy km nad górnymi warstwami jej chmur. Każde z tych zbliżeń relacjonujemy na łamach portalu. Podczas gdy statek przelatuje blisko planety jest bardziej wrażliwy na różnice w rozkładzie jej masy. Te niewielkie zmiany przyspieszające sondę w różnych kierunkach można zmierzyć wykorzystując efekt Dopplera.

Zobacz zdjęcia z 10. bliskiego przelotu sondy Juno

Juno w trakcie przelotu nad planetą kieruje swoje anteny do Ziemi. Fale radiowe pod wpływem zmian pola grawitacyjnego przez które statek przechodzi zmieniają nieco swoją częstotliwość. To ten sam efekt, który obserwujemy gdy odgłos karetki pogotowia zmienia swoją wysokość w zależności od tego, czy pojazd porusza się w naszym kierunku czy się od nas oddala. To samo dzieje się z falami radiowymi i z tych niewielkich anomalii można wydedukować dużo na temat samego pola grawitacyjnego Jowisza.

Nie jest to jednak zadanie proste. Zmiany w położeniu sondy nie powoduje tylko nierównomierna masa planety. Swoją cegiełkę dokłada promieniowanie słoneczne. Ciśnienie jakie wywiera na mierzące ponad 60 metrów kwadratowych panele słoneczne sondy i 3-metrową antenę nie może zostać pominięte. Naukowcy musieli też wziąć poprawkę na emisję w podczerwieni Jowisza, promienie Słońca odbijane przez planetę i trafiające statek, a nawet nierówną emisję termalną samego statku i potencjalne niewielkie wycieki gazu. Dodajmy do tego potrzebę dokładnego pomiaru geometrii orbity i efekty zakłócające pomiar wywoływane przez naładowane cząstki, zjonizowane przez wulkany na księżycu Io. Jest tego trochę, a odchylenia w polu grawitacyjnym, o których mowa nie są duże.

Rozwiązanie zagadki


Formacje chmur Jowisza w Północnym Pasie Umiarkowanym. Źródło: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

Anomalie w sygnale radiowym, które pozwoliły stworzyć dokładną mapę rozkładu masy Jowisza zostały opublikowane w artykule Nature pt. Measurement of Jupiter’s asymetric gravity field (z ang.: "Pomiar asymetrycznego pola grawitacyjnego Jowisza"). Największym odkryciem naukowców było znalezienie składnika w grawitacji planety, który nie wykazuje symetrii w osi północ-południe. Taka asymetria dla wielkiej, szybko obracającej się gazowej planety jest niezwykła i, jak wnioskują w drugiej pracy naukowcy, musi wynikać z różnic w prędkości wiatrów w pasach na powierzchni. Jedyny zaś sposób, by różnica w prędkości wiatru mogła aż tak wpływać na rozkład masy planety jest taki, że wiatr ten musi sięgać daleko w głąb Jowisza i obejmować ogromne masy gazu.

Trzeci artykuł naukowy związany z badaniami sondy Juno pokazuje, że siła wiatrów Jowisza słabnie wraz z głębokością, aż do 3000 km poniżej powierzchni planety, a więc 1/20 jej promienia, w miejscu gdzie ciśnienie przekracza 100 000 ziemskich atmosfer! Objętość, którą obejmują wiatry to jakieś 1% masy całej planety.

Naukowcy wykazali, że poniżej tej głębokości planeta obraca się jak sztywna bryła, pomimo płynnej natury Jowisza poniżej tej głębokości. Te obserwacje idą w parze z wcześniejszymi odkryciami, mówiącymi, że przy takich ciśnieniach we wnętrzu planety, wodór jonizuje się (atomy dzielą się na wolne protony i elektrony). Te cząstki z kolei skutecznie opierają się sile wiatru, poruszającego się w przeciwnym kierunku.

Co jeszcze ciekawego powie nam grawitacja giganta?


Trzy badania opublikowane ostatnio w Nature dowodzą jak wiele o fizyce planety i mechanizmach w jej wnętrzu może powiedzieć pomiar oddziaływań grawitacyjnych.

To jednak jeszcze nie koniec pracy. Naukowcy chcą w podobny sposób dowiedzieć się więcej o burzach na Jowiszu i zaobserwować jak pływy wywoływane przez duże księżyce planety wpływają na zmiany w jej strukturze.

Naukowcy lubią jak odkryte wzorce znajdują więcej zastosowań w naturze. Cóż to za prawo, gdy obejmuje swym zasięgiem jeden obiekt czy tylko jedną sytuację? Dlatego już zabrano się za podobne dane uzyskane z zakończonej już misji Cassini, która okrążała Saturna - gazowego bliźniaka Jowisza. Mniejsza masa tej planety to mniejsze ciśnienie wewnętrzne, więc wiatry na tej planecie mogą sięgnąć głębiej. Jeżeli procesy tu opisane znajdą swoje potwierdzenie również tam, to będziemy mogli mówić o dużym przełomie w poznaniu tej klasy astrofizycznych obiektów.


Zdjęcie południowej półkuli Jowisza wykonane przez sondę Juno podczas bliskiego przelotu 16 grudnia 2017 roku. NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt

Źródło: Nature

Więcej informacji:

Na zdjęciu: Powierzchnia Jowisza uchwycona przez sondę Juno podczas jednego z bliskich przelotów nad planetą. NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill