Jowisz, największa planeta naszego Układu Słonecznego, od dziesięcioleci fascynuje astronomów swoją potęgą i złożonością. Jednak najnowsze dane dostarczone przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) rzucają zupełnie nowe światło na procesy zachodzące w jego górnych warstwach atmosfery. Międzynarodowy zespół naukowców, pod przewodnictwem badaczy z Northumbria University, dokonał przełomowego odkrycia dotyczącego jowiszowych zórz polarnych. Po raz pierwszy udało się tak precyzyjnie opisać strukturę temperatury oraz gwałtowne zmiany gęstości materii w miejscach, gdzie oddziaływanie magnetyczne księżyców galileuszowych odciska swoje unikalne piętno.
Zjawisko zorzy polarnej na Jowiszu znacząco różni się od tego, które znamy z Ziemi. Podczas gdy ziemskie zorze są napędzane głównie przez wiatr słoneczny, te na Jowiszu mają charakter stały i są najpotężniejsze w całym systemie planetarnym. Kluczowym czynnikiem są tu cztery wielkie księżyce: Io, Europa, Ganimedes oraz Kallisto. Ich obecność wewnątrz potężnej magnetosfery Jowisza tworzy swoisty system „mini-zorz”, które manifestują się jako jasne punkty i smugi w obrębie głównego owalu zorzowego planety.
Jowisz obraca się wokół własnej osi niezwykle szybko – pełny obrót zajmuje mu zaledwie 10 godzin. Wraz z planetą wiruje jej gigantyczne pole magnetyczne, porywając ze sobą naładowane cząstki. Tymczasem księżyce poruszają się po swoich orbitach znacznie wolniej. To zróżnicowanie prędkości powoduje, że księżyce nieustannie oddziałują z plazmą otaczającą planetę. Wynikiem tego procesu są potężne prądy elektryczne przesyłane wzdłuż linii pola magnetycznego bezpośrednio do atmosfery Jowisza, co tworzy tzw. ślady zorzowe.
Wulkaniczne serce systemu: Rola księżyca Io
Najbardziej spektakularnym aktorem w tym spektaklu jest Io – najbardziej aktywne wulkanicznie ciało w Układzie Słonecznym. Wulkany na Io wyrzucają w przestrzeń kosmiczną około 1000 kilogramów materii w każdej sekundzie. Materiał ten zostaje zjonizowany i tworzy wokół Jowisza gigantyczny, pierścieniowaty obłok zwany torusem plazmowym Io. To właśnie ta gęsta plazma jest paliwem dla najjaśniejszych punktów w zorzy polarnej Jowisza.
Dzięki instrumentom podczerwonym teleskopu JWST, naukowcy byli w stanie przeprowadzić pierwsze tak szczegółowe pomiary widmowe tych śladów. Jak wyjaśnia Katie Knowles, doktorantka fizyki planetarnej na Northumbria University i główna autorka badań opublikowanych w Geophysical Research Letters, wcześniejsze obserwacje skupiały się głównie na jasności tych emisji. Webb pozwolił jednak pójść o krok dalej i zmierzyć parametry fizyczne, takie jak temperatura jonosfery oraz gęstość jonów, co dotychczas było nieosiągalne.
Zimna anomalia w gorącej atmosferze
Największym zaskoczeniem dla zespołu badawczego okazało się odkrycie tzw. „zimnej plamy” w śladzie zorzowym generowanym przez Io. Podczas gdy główna zorza Jowisza jest relatywnie gorąca, punkt odpowiadający oddziaływaniu Io zarejestrował temperaturę zaledwie 538 Kelwinów (około 265°C), w porównaniu do 766 Kelwinów (493°C) w sąsiednich obszarach zorzowych. Co więcej, obszar ten charakteryzował się niezwykle wysoką gęstością materii.
Badania wykazały obecność kationu trójwodoru (H₃⁺), którego gęstość w śladach Io była trzykrotnie wyższa niż w głównej zorzy. W niektórych rejonach odnotowano wahania gęstości sięgające nawet 45-krotności normy w obrębie niewielkiego obszaru. To, co szczególnie intryguje naukowców, to fakt, że zmiany te zachodzą w skali zaledwie kilku minut. Sugeruje to, że strumień wysokoenergetycznych elektronów uderzających w atmosferę Jowisza jest niezwykle dynamiczny i zmienny w czasie.
Nowe horyzonty badań planetarnych
Dane wykorzystane w badaniu pochodzą z 22-godzinnego okna obserwacyjnego we wrześniu 2023 roku. Zespół pod kierownictwem dr. Henrika Melina i prof. Toma Stallarda „ścigał” zorze polarne Jowisza, gdy te wyłaniały się zza krawędzi planety w wyniku jej rotacji. Fakt, że tak ekstremalne zjawiska zaobserwowano tylko w jednej z pięciu wykonanych migawek, rodzi pytania o powtarzalność tych procesów. Czy zimne plamy pojawiają się cyklicznie? Co decyduje o tak drastycznych skokach gęstości plazmy?
Odkrycie to ma implikacje wykraczające poza system Jowisza. Podobne interakcje zachodzą prawdopodobnie przy Saturnie, gdzie księżyc Enceladus również pozostawia swój magnetyczny odcisk w atmosferze planety. Zrozumienie mechanizmów zachodzących na Jowiszu pozwoli astronomom lepiej interpretować dane z innych układów planetarnych, w tym z egzoplanet krążących wokół odległych gwiazd.