Op aarde zijn aurora's vluchtige verschijnselen. Ze ontstaan wanneer geladen deeltjes van de zon de magnetosfeer van de aarde raken. De meeste van deze deeltjes worden afgebogen, maar sommige deeltjes raken gevangen en worden door magnetische veldlijnen naar de polen geleid. Ze vinden hun weg naar de bovenste atmosfeer, waar ze in botsing komen met atomen en moleculen. Dit zorgt voor het energieke schouwspel aan de hemel, en hoe sterker de stroom geladen deeltjes van de zon, hoe verder de aurora's zich uitstrekken tot in de middelste breedtegraden. Maar op de enorme Jupiter zijn aurora's anders.
De gasreus heeft het sterkste magnetische veld van alle planeten. Als het noorderlicht op aarde een grillig, dans-achtig fenomeen is, dan lijken die van Jupiter meer op een permanente en hevige onweersbui. Het noorderlicht van Jupiter verschilt ook van dat van de aarde omdat het wordt gevormd door interacties met de Galileïsche manen, een cruciaal verschil tussen de twee. Het noorderlicht van Jupiter wordt niet zozeer aangedreven door de zon, maar grotendeels door de vulkanische maan Io. Het noorderlicht van Jupiter heeft ook kenmerken die het noorderlicht van de aarde niet heeft. De magnetische veldlijnen die de planeet met zijn manen verbinden, creëren heldere vlekken op het noorderlicht waar de lijnen samenkomen. Nieuw onderzoek in Geophysical Research Letters presenteert de eerste spectrale metingen van deze infrarood heldere vlekken in het poollicht. Het onderzoek is getiteld “Short-Term Variability of Jupiter's Satellite Footprints as Spotted by JWST” en de hoofdauteur is Katie Knowles. Knowles is een postdoctoraal onderzoeker aan de School of Engineering, Physics & Mathematics van de Northumbria University in het Verenigd Koninkrijk.
Als je meer wilt weten over aurora's in het algemeen, is het zinvol om Jupiter te observeren. “De aurora's van Jupiter zijn de krachtigste en continu waarneembare aurora's in het zonnestelsel en zijn een manifestatie van de koppeling tussen de atmosfeer en de omringende ruimte-omgeving”, schrijven de auteurs. Het krachtige magnetische veld, de snelle rotatie en de dichte plasmaomgeving van de planeet maken het de perfecte plek om aurora's beter te begrijpen. De dichte plasmaomgeving is grotendeels te danken aan het ontsnappen van atmosfeer uit het vulkanische Io, dat een permanente torus van plasma vormt binnen de magnetosfeer van Jupiter. Het stoot elke seconde ongeveer 1.000 kg de ruimte in, waardoor een ring rond Jupiter ontstaat die bekend staat als de Io-plasmatorus. “Een opvallend kenmerk van de aurora's van Jupiter zijn de emissies die verband houden met de Galileïsche manen”, leggen de onderzoekers uit. Zowel Jupiter als zijn magnetisch veld draaien sneller dan de Galileïsche manen omcirkelen. Dat betekent dat de vier manen voortdurend in wisselwerking staan met het plasma in het magnetisch veld. Dat genereert de heldere vlekken.
De heldere vlekken op het noorderlicht van Jupiter worden Alfvén wing (MAW) genoemd. Ze zijn vernoemd naar de Zweedse Nobelprijswinnaar voor natuurkunde Hannes Alfvén, die belangrijk werk heeft verricht op het gebied van plasmafysica. “We presenteren de belangrijkste Alfvén wing (MAW)-vlekken van Io en Europa zoals waargenomen door de nabij-infraroodspectrograaf aan boord van de James Webb-ruimtetelescoop”, schrijven de auteurs. “Deze kenmerken van het poollicht zijn eerder gemeten, maar alleen in emissie.” De JWST-waarnemingen brachten iets verrassends aan het licht. De aurora van Jupiter zit vol met heet plasma, maar de infraroodwaarnemingen van de JWST ontdekten een koude plek in de aurora van Io. De temperatuur was veel lager dan verwacht en de dichtheid was buitengewoon hoog. Dit werk is gebaseerd op vijf afzonderlijke ‘momentopnames’ met de NIRSpec van de JWST, en de koude plek en de hoge dichtheid waren slechts in één momentopname aanwezig.
“We hebben binnen enkele minuten extreme variabiliteit in zowel temperatuur als dichtheid gevonden binnen de voetafdruk van het poollicht van Io”, aldus hoofdauteur Knowles in een persbericht. “Dit vertelt ons dat de stroom van hoogenergetische elektronen die in de atmosfeer van Jupiter terechtkomen ongelooflijk snel verandert.” “De koude plek registreerde temperaturen van slechts 538 Kelvin, of 265 °C, vergeleken met 766 Kelvin, of 493 °C in de rest van het poollicht van Jupiter”, voegde Knowles toe. “De koude plek bevatte ook materiaal dat drie keer zo dicht was als het belangrijkste poollicht van Jupiter, met de hoogste dichtheden die we ooit hebben geregistreerd.” De onderzoekers denken dat deze veranderingen waarschijnlijk worden veroorzaakt door de stroom van elektronen, elektronenprecipitatie genaamd, die afkomstig is van Io en de bovenste atmosfeer van Jupiter raakt. Deze veranderingen zouden echter extreem moeten zijn, en Knowles en haar coauteurs weten niet zeker wat daarachter zit. Het beste wat ze kunnen doen, is het toeschrijven aan “tijdelijke variaties in de elektronenprecipitatie als gevolg van lokale veranderingen in het versnellingsproces of in de interactie tussen de maan en de magnetosfeer.”
Ook de voetafdruk van Europa werd waargenomen en de onderzoekers constateerden daarin vergelijkbare verschijnselen, maar ze zijn er niet zo van overtuigd dat het om hetzelfde verschijnsel gaat. “Er zijn aanwijzingen voor een vergelijkbare, minder extreme populatie in verband met de voetafdruk van Europa”, schrijven de onderzoekers. De variabiliteit van de veranderingen is bijzonder raadselachtig. Niets kan volledig statisch zijn, maar de omvang van de veranderingen is opvallend. “We hebben dit fenomeen slechts in één van onze vijf momentopnames waargenomen, wat ons met vragen achterlaat”, aldus Knowles. “Hoe vaak komt dit voor? Zijn onze huidige waarnemingen representatief voor de ‘typische’ variabiliteit? Hoe verandert dit met ruimte, tijd en onder verschillende omstandigheden?” Alleen meer observaties kunnen tot een verklaring leiden. NASA's Europa Clipper en ESA's Juice zijn beide onderweg naar het Joviaanse systeem. Hun observaties zullen ons helpen het systeem in al zijn complexiteit te begrijpen. Maar het duurt nog vele jaren voordat ze hun bestemming bereiken.
Gelukkig hoeft een verklaring voor deze uitgesproken variabiliteit misschien niet zo lang op zich te laten wachten. Knowles heeft al 32 uur aan aanvullende waarnemingen van de aurora's van Jupiter uitgevoerd met de Infrared Telescope Facility van NASA op Hawaï, en is nog bezig met het analyseren van de gegevens. Dat zou ons moeten vertellen of de extreme variabiliteit die door de JWST aan het licht is gebracht, veel voorkomt of juist zeldzaam is. “Dit werk opent geheel nieuwe manieren om niet alleen Jupiter en zijn andere Galileïsche manen te bestuderen, maar mogelijk ook andere reuzenplaneten en hun maansystemen”, aldus Knowles. “We zien Jupiter in realtime reageren op zijn manen, wat ons inzicht geeft in processen die zich in ons zonnestelsel en misschien zelfs verder weg voordoen.” Het ruimtevaartuig Juno van NASA bestudeert momenteel Jupiter en zijn manen, en dit werk kan ons helpen om de waarnemingen ervan te begrijpen, evenals toekomstige waarnemingen door Europa Clipper en Juice. “Deze analyse, evenals toekomstige inspanningen, kan context bieden voor in situ metingen die door Juno zijn verkregen tijdens zijn primaire en verlengde missies, toen hij door de banen van de manen reisde, evenals voor Juice en Europa Clipper”, concluderen de onderzoekers.
Deze afbeelding toont de twee aurorale voetafdrukken in het noorderlicht van Jupiter, gecreëerd door de manen Io en Europa.
De JWST heeft deze voetafdrukken waargenomen en de eerste spectrale metingen uitgevoerd.
Foto: Katie L. Knowles (Northumbria University)
Bron: Universe Today
