Tudomány

A NASA Juno-küldetése feltárja, mi van a Jupiter szép felhői alatt

Három évvel ezelőtt elvégzett és eldobott dologért a NASA Juno űrhajójának elfoglaltsága van a Jupiter és a nagy holdak felfedezésére.

Az űrhajó 2016. július 4-én került a Jupiter körüli pályára, és túlélte az intenzív sugárzás okozta bombázásokat a Naprendszer legnagyobb bolygóin. Most fejezi be elsődleges küldetését, de a NASA négyéves meghosszabbítást és további 42 pályát adott neki. A múlt héten a Ganymede mellett, a Jupiter legnagyobb holdja mellett csúszott el.

“Alapvetően páncélozott harckocsit terveztünk és építettünk” – mondta Scott J. Bolton, a San Antonio délnyugati kutatóintézet munkatársa, aki a misszió fő nyomozója. – És bevált.

A Jupiter lényegében egy nagy golyó, többnyire hidrogénből, de elég bonyolult labdának bizonyult. A misszió felfedezései közé tartozik a lehetségesnél magasabb szintű villámlás, az északi és a déli póluson stabil viharok gyűrűi, valamint a szél olyan mélyre nyúló belseje, hogy a bolygó mágneses terét körbejárhatják.

“Úgy gondolom, hogy ez kinyilatkoztatás volt” – mondta David J. Stevenson, a kaliforniai Műszaki Intézet bolygótudományi professzora és a küldetés egyik nyomozója.

Juno rendkívül elliptikus útja, amely majdnem 90 fokos szöget zár be a Jupiter holdjainak pályájához, áthalad a bolygó északi és déli pólusán. Minden pályán Juno becsapódik, és elérte a 130 000 mérföld / órás végsebességet, amikor áthalad a Jupiter felhőitől néhány ezer mérföldön belül.

A meghajtórendszer korai problémája arra késztette a misszióvezetőket, hogy felhagyjanak egy olyan motorral, amely az orbitális pályát 53 napról 14 napra rövidítette volna. A misszió tudósainak türelmesebbnek kellett lenniük, de ez áldássá vált.

Az eredeti ütemterv szerint a Juno 2018 elejére befejezte volna munkáját. Az űrhajó bágyadtabb pályáival a kutatók figyelemmel kísérhetik a Jupiterben és környékén bekövetkező változásokat, amelyeket esetleg elmulasztottak volna, ha a küldetés hamarabb lezárul.

A meghosszabbított küldetés további pályái lehetővé teszik a Juno által feltárt rejtélyek további vizsgálatát, mint például az északi és a déli pólus vihargyűrűi – nyolc vihar az északi pólus körül, öt a déli pólus körül.

Egy ponton úgy tűnt, mintha egy hatodik vihar lépne be a csoportba a déli pólusnál, de aztán elhárították.

– Olyan, mint öt zaklató a játszótéren, igaz? mondta Candice J. Hansen-Koharcheck, az arizai Tucson-i Planetáris Tudományos Intézet tudósa, aki az űrhajó elsődleges kamerájának működéséért felelős JunoCam. – Ó, nem, nem csatlakozhat a játékunkhoz.

Miért tűnik az évek óta tartó és mintegy 2500 mérföld átmérőjű viharok száma állandónak?

Két vihar könnyen elférne egy sarkvidéken anélkül, hogy egymást megzavarnák – mondta Yohai Kaspi, az izraeli Weizmann Tudományos Intézet föld- és bolygótudományok professzora és a misszió egyik nyomozója. “De ha lenne 100, akkor az túl közel lenne, és nem lennének stabilak” – mondta. “Van ez a varázslat, amely alkalmassá teszi őket.”

A Jupiter felső felében a légköri minták eltérnek az alsó felétől. “Kicsit teszteltünk különböző északi és déli dinamikával” – mondta, hogy megértsük, miért van a két póluson eltérő számú vihar.

A tudósok közelebbről megismerik a Jupiter tetején lévő nyolc vihart az elkövetkező években. A Jupiter hatalmas gravitációja megrántja Juno pályáját, így az űrhajó legközelebbi megközelítése – amit a tudósok perijove-nak neveznek – már nem az Egyenlítő felett fordulnak elő, hanem észak felé vándorolnak. A meghosszabbított küldetés végére a pálya perijove olyan szélességi fokon következik be, amely megegyezik azzal, ahol az oroszországi Szentpétervár, a Földön fekszik.

Ezek a pályák közelebbi megfigyeléseket is nyújtanak a légkörben magasan megzavarodó villámokról.

A Jupiter színes, kavargó csíkjai csak a legmagasabb felhők teteje, amelyek fagyasztott korommal bevont ammóniakristályokból készülnek. De a Jupiter vízfelhői – ahol a korábbi űrhajók által megfigyelt villámok keletkeztek – 30-40 mérföldnyire vannak mélyebben, mint a felhő teteje. A vízfelhőkön belül valószínűleg villámcsapások fordulnak elő, mint a földi zivatarokban, amelyet a vízcseppek és az elektromos töltést felépítő jégkristályok ütköznek össze.

De a homályos, soha nem észlelt villanások, amelyeket Juno észlelt, magasabbra kerültek a légkörben, ahol a hőmérséklet, körülbelül mínusz-125 fok Fahrenheit, túl hideg ahhoz, hogy a víz folyékony maradjon.

Amikor először látta a villanásokat, Heidi N. Becker, a NASA kaliforniai Jet Propulziós Laboratóriumának tudósa, aki a Juno sugárzást figyelő kutatásának vezetője, így válaszolt: “Ó, mi a baj?”

A rejtély megfejtésének kulcsa a légkörben lévő ammónia volt, amely fagyállóként hatott.

“A Jupiter hihetetlenül erőszakos viharokkal rendelkezik, amelyek a víz jégrészecskéit 100, 200 mérföld per óra sebességgel képesek felrobbantani és eljutni ezekre a nagy magasságokra” – mondta Dr. Becker.

A víz jégkristályai magasan keverednek az ammóniagőzökkel és megolvadnak. Ezután a víz-ammónia cseppek további alulról feljött jégkristályokkal ütköznek, elektromos töltést építve villámot.

Látszólag paradox módon az ammónia kulcsfontosságú annak magyarázatában is, hogy miért van ennyire kevés ammónia a légkör azonos sávjaiban, ahol a villámlás történik. A tudósok arra számítottak, hogy az ammónia jégfelhők alatt a Jupiter kavargó szele egyenletesen keveri az ammóniagázt az atmoszférában.

“De ez nem történik meg” – mondta Tristan Guillot, a franciaországi Côte d’Azur Obszervatórium kutatási igazgatója és a misszió egyik társnyomozója. “Vannak olyan régióink, amelyek legfeljebb 200 kilométerrel alacsonyabbak vagy talán többek is, amelyek sokkal kevesebb ammóniát tartalmaznak, mint más régiók.”

Úgy tűnik, hogy ezt a gomba gomba zuhanása okozza – viszkózus, ragacsos konglomerációk, amelyek akkoraak, mint a baseballok.

A tudósok rájöttek, hogy az ammónia-víz cseppek nem maradnak kis cseppek. Ehelyett tovább nőnek, amíg túl nehézek ahhoz, hogy a levegőben maradjanak. “Mint a nagy jégesők a Földön” – mondta Dr. Stevenson.

A tudósok úgy vélik, hogy az eső gombolyagok az ammónia nagy részét a Jupiter légkörének mélyebb részeibe viszik.

A misszió tovább erősítette a Nagy Vörös Folt megértését, megmutatva, hogy az évszázadok óta fennálló ikonikus óriási vihar több mint 200 mérföldre nyúlik a Jupiter légkörébe, és új régió felfedezéséhez vezetett, amelyet a Nagy Kéknek neveznek a tudósok Folt.

Valójában nem kék; a név a Jupiter mágneses mezőjének feltérképezéséhez használt színvilág műtárgya. A fényképek valóban nem utalnak látható utalásokra a Nagy Kék Foltra. A mágneses térkép sötétkék régiója éppen a Jupiterbe belépő láthatatlan mágneses mező vonalak összefolyását jelzi – majdnem egy második déli pólus áll ki az Egyenlítő közelében.

Kimberly M. Moore, a Caltech posztdoktori kutatója összehasonlította Juno mágneses méréseit a korábbi űrhajók megfigyeléseivel, hogy lássa, hogyan változtak a mágneses mezők a Nagy Kék Foltban az évtizedek alatt.

Úgy tűnik, hogy a Nagy Kék Folt közepét nyugati irányba fújja az egyik szélsugár, míg a keleti irányú szelek ellentétes irányban nyírják a folt felső és alsó szakaszát.

Ez arra utal, hogy a Jupiter szele messze a felhő teteje alatt nyúlik le, olyan területekre, ahol a nyomás és a hőmérséklet elég magas ahhoz, hogy a hidrogént elektromos vezetővé alakítsa. Az elektromos áram mágneses tereket generál.

A mágneses mezők erőssége a Nagy Kék Folton belül évente akár egy százalékkal is változik – egyes helyeken erősödik, máshol gyengül. A meghosszabbított misszió végére, 2025-ben Dr. Moore-nak majdnem egy évtizedes adatai lesznek, hogy teszteljék hipotézisét, amely akár 10 százalékos változásokat is előre jelez ez idő alatt. “Ezt jósolja modellünk, és szeretnénk tesztelni” – mondta.

A tudósok valószínűleg új rejtélyekkel is találkoznak. A Nagy Kék Folt ugyanolyan szélességi fokon van, mint a Nagy Vörös Folt. A két összefüggő vagy különálló jelenség?

“Az a tény, hogy különböző sebességgel haladnak, arra utal, hogy valószínűleg nem lesznek kapcsolatban” – mondta Dr. Moore. – De talán van valamiféle oksági mechanizmus. Végül is csak egy folyékony bolygó. ”

A meghosszabbított küldetés során Juno a Jupiter három nagy holdja mellett is repülni fog.

A múlt héten Juno a Jupiter holdjai közül a legnagyobb Ganymede több mint 20 éve első közelképet adott a tudósok számára. A több mint 3200 mérföld széles Ganymede nagyobb, mint a Merkúr bolygó, és ez az egyetlen ismert hold, amely saját mágneses terét generálja.

Dr. Hansen-Koharcheck összehasonlítja Juno által készített Ganymede képeit a régebbi képekkel. A felszín egy részét a jeges holdakon gyakran látható barázdák jelölik. Bár a hold jeges kérgéje alatt még mindig van egy folyékony víz óceánja, úgy gondolják, hogy a jég több mint 60 mérföld vastag, és Ganymede barázdái valószínűleg néhány milliárd évvel ezelőtt keletkeztek, amikor a felszín melegebb és hajlékonyabb volt, Dr. Hansen -Mondta Koharcheck.

“Nagyon valószínűtlen, hogy a barázdás terep kommunikálna ezzel a vízköpennyel” – mondta. “Ha azonban megtalálnánk, én is fel-le ugrálnék sikoltozva.”

A Ganymede körüli mágneses mezők érdekesebben mesélhetnek. Belül az olvadt vas feltehetően még mindig áramlik, hogy létrehozzon egy mágneses mező buborékot, amelyet magnetoszférának neveznek, hasonlóan ahhoz, amely megvédi a Földet a naptól töltött töltött részecskék szélétől.

“Nagyon kiváló lehetőséget kaptunk ezzel a repüléssel, hogy végigmenjünk rajta” – mondta Frances Bagenal, a Boulderi Colorado Egyetem asztrofizikai és bolygótudományi professzora, és a küldetés egyik nyomozója.

A Ganymede mezõinek megfigyelései és azok összefonódása a Jupiteréivel segít megvilágítani, hogy a töltött részecskék vékony atmoszférája hogyan alakul ki a hold körül, hogy a töltött részecskék miként generálnak izzó aurorákat és hogyan haladnak a töltött részecskék egy része közvetlenül a Jupiter és Ganymede között. Az infravörös mérések a vízmolekulák koncentrációjának változásait mutatják, amelyek a részecskék bombázásával kiszorulnak a jégből.

Juno nem fog újra ilyen közel kerülni Ganymede-hez, de két másik nagy és nagyon különböző hold légyei lesznek.

Az egyik ilyen hold, az Io, egy pokoli világ, amely a vulkanikusan a legaktívabb a Naprendszerben. Juno infravörös műszere pontosabban méri az Io forró pontjait, mint a korábbi űrhajók.

“Repedések a felszínen, és rengeteg láva folyója van, valami ilyesmi” – mondta Alessandro Mura, a Római Országos Asztrofizikai Intézet munkatársa, aki Juno infravörös térképészeti eszközét vezeti.

A másik holdat, amelyet meglátogat, az Európát jég borítja, mély óceán van alatta. Az Európát az egyik legígéretesebb helynek tekintik, ahol életet lehet keresni a Naprendszer másutt.

Az Europánál a JunoCam a nappali és az éjszakai választóvonalra mutat. Az elmúlt években a Hubble űrtávcső megfigyelései azt mutatták, hogy a jeges felszínen áttörő vízgőz kitör az óceánból. A remény az, hogy a JunoCam véletlenül elkap egy víztömeget, amelyet a napfény megvilágít.

“Ez nagyon-nagyon jó módszer a kitörések felkutatására” – mondta Dr. Hansen-Koharcheck. Ugyanez a technika vulkánkitörést észlelt az Io-n.

Az Europa jéghéja vékonyabb, mint a Ganymedeé, ezért nagyobb az esély arra, hogy egy sima foltot találjon, ahol víz vagy fagyott gőz tört ki a felszínre. “Olyan felszíni lerakódásokat keresnénk, amelyek frissnek vagy különösen fényesnek tűnhetnek” – mondta Dr. Hansen-Koharcheck.

Lehet, hogy mindez nem lett volna lehetséges, ha nem ez a meghajtási hiba. Ha az űrhajó 53 helyett 14 naponként keringett volna a Jupiter körül, akkor Juno lehet, hogy nem volt olyan helyzetben, hogy elvégezhesse a holdak repülését.

– Azt hiszem, véletlen volt – mondta Dr. Bolton.