Jowisz, największa planeta naszego Układu Słonecznego, od dawna fascynuje astronomów swoimi ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi i potężnym polem magnetycznym. Najnowsze dane dostarczone przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) rzucają jednak zupełnie nowe światło na to, jak ten gazowy gigant oddziałuje ze swoimi naturalnymi satelitami. Międzynarodowy zespół naukowców odkrył, że księżyce Jowisza dosłownie „stąpają” po jego atmosferze, pozostawiając w niej wyraźne, a zarazem zaskakująco zimne ślady w rejonach występowania zórz polarnych.
Potęga jowiszowych zórz i wpływ księżyców
Zorze polarne na Jowiszu są najpotężniejszymi tego typu zjawiskami w całym systemie planetarnym krążącym wokół Słońca. Choć ich mechanizm powstawania jest w pewnym stopniu podobny do ziemskiego – polega na zderzaniu się naładowanych cząstek wiatru słonecznego z atmosferą planety wzdłuż linii pola magnetycznego – Jowisz posiada dodatkowy, unikalny silnik napędzający te świetlne spektakle. Są nimi księżyce galileuszowe: Io, Europa, Ganimedes i Kallisto.
Te cztery masywne obiekty nieustannie oddziałują z gigantyczną magnetosferą Jowisza. W wyniku tego procesu powstają tak zwane „odciski stóp” (ang. footprints) w zorzach. Są to specyficzne punkty świetlne, które poruszają się w atmosferze planety dokładnie w ślad za ruchem księżyców na orbicie. Jak wyjaśnia Katie Knowles, badaczka z Northumbria University, interakcja ta powoduje, że wysokoenergetyczne cząstki wędrują wzdłuż linii pola magnetycznego i uderzają w atmosferę Jowisza, tworząc mapę pozycji księżyców bezpośrednio na niebie planety.
Mechanizm torusa plazmowego Io
Kluczowym elementem tego kosmicznego układu jest Io – najbardziej aktywne wulkanicznie ciało w Układzie Słonecznym. Wulkany Io wyrzucają w przestrzeń kosmiczną tony materii, która zostaje uwięziona przez pole magnetyczne Jowisza, tworząc gigantyczny torus plazmowy Io. Jest to pierścień naładowanych cząstek otaczający planetę.
Gdy księżyce galileuszowe przedzierają się przez ten gęsty torus plazmy, działają niczym gigantyczne tłoki, generując prądy elektryczne i kierując jony w stronę biegunów Jowisza. To właśnie ten proces sprawia, że „odciski stóp” w zorzach są tak jasne i wyraźne. Do tej pory naukowcy skupiali się głównie na jasności tych zjawisk, jednak instrumenty Teleskopu Webba pozwoliły zajrzeć głębiej i dostrzec coś, czego nikt się nie spodziewał.
Sensacyjne odkrycie: „Zimna plama” w gorącej atmosferze
Podczas obserwacji przeprowadzonych we wrześniu 2023 roku, naukowcy wykorzystali unikalne możliwości JWST do zbadania profilu bocznego atmosfery Jowisza, tuż pod aktywną zorzą polarną. Analizując pięć różnych ujęć, badacze natrafili na anomalię. W jednym z regionów, bezpośrednio powiązanym z oddziaływaniem księżyca Io, odkryto gigantyczną „zimną plamę”.
Podczas gdy otaczająca zorza utrzymywała stabilną, niezwykle wysoką temperaturę wynoszącą około 493 stopnie Celsjusza, temperatura we wspomnianej plamie wynosiła zaledwie 265 stopni Celsjusza. Jest to różnica niemal 230 stopni w miejscu, które teoretycznie powinno być rozgrzewane przez intensywne bombardowanie cząstkami. To odkrycie sugeruje, że interakcja księżyców z atmosferą jest znacznie bardziej skomplikowana i może prowadzić do lokalnego ochłodzenia górnych warstw gazowej otoczki planety.
Gęstość jonów i dynamika zmian
Zimna plama nie była jedynym zaskoczeniem. Pomiary wykazały, że gęstość jonów w tym rejonie, a konkretnie kationu trójwodoru (H3+), była średnio trzy razy wyższa niż w pozostałych częściach zorzy. W najbardziej skrajnych punktach gęstość ta była nawet 45-krotnie większa niż normalnie. Co najbardziej zdumiewające, zmiany te zachodziły w skali zaledwie kilku minut.
„Odkryliśmy ekstremalną zmienność zarówno temperatury, jak i gęstości w obrębie odcisku zorzowego Io” – komentuje Katie Knowles. Świadczy to o tym, że strumień elektronów uderzających w atmosferę Jowisza nie jest stały, lecz podlega gwałtownym fluktuacjom, na które atmosfera reaguje w czasie rzeczywistym. Dla naukowców jest to bezcenna lekcja fizyki plazmy i dynamiki atmosfer olbrzymich planet.
Perspektywy dla innych układów planetarnych
Odkrycie to ma implikacje wykraczające poza sam system Jowisza. Choć Księżyc okrążający Ziemię nie zostawia takich śladów w ziemskich zorzach (ze względu na zbyt słabe pole magnetyczne i brak aktywności wulkanicznej), podobne zjawiska mogą występować na Saturnie. Księżyc Saturna, Enceladus, który wyrzuca w przestrzeń gejzery wodne, również wpływa na zorze swojej planety. Możliwe, że teleskop JWST odkryje tam podobne „zimne ślady”.
Badania opublikowane w czasopiśmie Geophysical Research Letters otwierają nowy rozdział w badaniach gazowych olbrzymów. Naukowcy już planują kolejne obserwacje. W 2026 roku zespół pod przewodnictwem Knowles wykorzysta infrastrukturę NASA na Hawajach (Infrared Telescope Facility), aby śledzić ewolucję tych zjawisk przez wiele nocy z rzędu. Pozwoli to zrozumieć, jak często pojawiają się zimne plamy i co dokładnie sprawia, że atmosfera Jowisza tak gwałtownie zmienia swoje oblicze pod wpływem swoich wiernych towarzyszy.