Een 40-jarig mysterie opgelost - Bron van röntgenstraling Jupiter ontdekt

Planetaire astronomen combineerden metingen van NASA's Juno-ruimtevaartuig (in een baan om Jupiter) met gegevens van de in een baan om de aarde draaiende XMM-Newton-missie van ESA (European Space Agency) om een ​​40 jaar oud mysterie op te lossen over de oorsprong van Jupiters ongewone röntgenaurora's. Voor het eerst hebben ze het hele mechanisme aan het werk gezien: de elektrisch geladen atomen, of ionen, die verantwoordelijk zijn voor de röntgenstralen, "surfen" langs elektromagnetische golven in het magnetische veld van Jupiter naar beneden in de atmosfeer van de gasreus. 

Bij de foto: De paarse tinten in deze afbeelding tonen röntgenstraling van Jupiters aurora's, gedetecteerd door NASA's Chandra Space Telescope in 2007. Ze zijn  geplaatst boven op een afbeelding van Jupiter afkomstig van NASA's Hubble Space Telescope. Jupiter is de enige gasreuzenplaneet waar wetenschappers röntgenstraling hebben gedetecteerd. Foto: (röntgenfoto) NASA/CXC/SwRI/R.Gladstone et al. -  (Optisch) NASA/ESA/Hubble Heritage (AURA/STScI)

Een paper over de studie werd op 9 juli gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Aurora's zijn gedetecteerd op zeven planeten in ons zonnestelsel. Sommige van deze lichtshows zijn zichtbaar voor het menselijk oog, andere genereren golflengten van licht die we alleen met gespecialiseerde telescopen kunnen zien. Kortere golflengten vereisen meer energie om te produceren. Jupiter heeft de krachtigste aurora's in het zonnestelsel en is de enige van de vier reuzenplaneten met een aurora waarvan is vastgesteld dat deze röntgenstralen uitzendt.

Planetaire astronomen zijn sinds de ontdekking vier decennia geleden gefascineerd door de röntgenstraling van Jupiter, omdat het niet meteen duidelijk was hoe de energie die nodig is om het te produceren, wordt gegenereerd. Ze wisten dat dit verrassende Joviaanse poollicht veroorzaakt wordt door ionen die in de atmosfeer van Jupiter botsen. Maar tot nu toe hadden wetenschappers geen idee hoe de ionen die verantwoordelijk zijn voor de röntgenlichtshow in de eerste plaats in de atmosfeer kunnen komen.

Op aarde zijn aurora's meestal alleen zichtbaar in een gordel rond de magnetische polen, tussen 65 en 80 graden noorderbreedte. Boven 80 graden verdwijnt de poollichtemissie omdat de magnetische veldlijnen de aarde verlaten en zich verbinden met het magnetische veld in de zonnewind, de constante stroom van elektrisch geladen deeltjes die door de zon worden uitgestoten. Dit worden open veldlijnen genoemd, en in het traditionele beeld wordt ook niet verwacht dat de poolgebieden van Jupiter en Saturnus op hoge breedtegraad substantiële aurora's uitzenden.

De röntgenaurora's van Jupiter zijn echter anders. Ze bestaan ​​poolwaarts van de poollichtgorde, ze pulseren, en die aan de noordpool verschillen vaak van die aan de zuidpool. Dit zijn typische kenmerken van een gesloten magnetisch veld, waarbij de magnetische veldlijn de planeet verlaat aan de ene pool en zich opnieuw verbindt met de planeet aan de andere. Alle planeten met magnetische velden hebben zowel open als gesloten veldcomponenten. 

Bij de foto: Een weergave van de vorming van elektromagnetische golven waarmee ionen door de magnetische veldlijnen van Jupiter kunnen navigeren. Foto: ESA / NASA

Wetenschappers die de verschijnselen bestudeerden, wendden zich tot computersimulaties en ontdekten dat de pulserende röntgenstraalaurora's kunnen worden gekoppeld aan gesloten magnetische velden die in Jupiter worden gegenereerd en zich vervolgens miljoenen kilometers in de ruimte uitstrekken voordat ze terugkeren. Maar hoe te bewijzen dat het model levensvatbaar was?

De auteurs van het onderzoek wendden zich tot gegevens die werden verkregen door zowel Juno als XMM-Newton van 16 tot 17 juli 2017. Gedurende de tweedaagse periode observeerde XMM-Newton Jupiter continu gedurende 26 uur en zag het elke 27 minuten pulserende röntgenstraling.

Tegelijkertijd reisde Juno tussen 62 en 68 Jupiter-stralen (ongeveer 4,4 tot 4,8 miljoen kilometer) boven het pre-dageraadgebied van de planeet. Dit was precies het gebied waarvan de simulaties van het team suggereerden dat het belangrijk was voor het activeren van de pulsaties, dus zochten ze in de Juno-gegevens naar magnetische processen die in hetzelfde tempo plaatsvonden.

Ze ontdekten dat fluctuaties van het magnetische veld van Jupiter de pulserende röntgenstraling veroorzaakten. De buitenste grens van het magnetische veld wordt direct getroffen door de deeltjes van de zonnewind en samengedrukt. Deze samendrukkingen verhitten ionen die gevangen zitten in het uitgebreide magneetveld van Jupiter, die miljoenen kilometers van de atmosfeer van de planeet verwijderd zijn.

Dit veroorzaakt een fenomeen dat elektromagnetische ionencyclotron (EMIC) golven wordt genoemd, waarbij de deeltjes langs de veldlijnen worden gericht. Geleid door het veld, rijden de ionen op de EMIC-golf door miljoenen kilometers ruimte, uiteindelijk botsen ze in de atmosfeer van de planeet en veroorzaken ze de röntgenstraling.

“Wat we in de Juno-gegevens zien, is deze prachtige reeks gebeurtenissen. We zien de compressie plaatsvinden, we zien de EMIC-golf geactiveerd, we zien de ionen en dan zien we een puls van ionen die zich langs de veldlijn voortbewegen,” zei William Dunn van het Mullard Space Science Laboratory, University College London, en een co - auteur van het artikel. "En een paar minuten later ziet XMM een uitbarsting van röntgenstralen."

Nu het ontbrekende deel van het proces voor het eerst is geïdentificeerd, opent het een schat aan mogelijkheden voor waar het vervolgens zou kunnen worden bestudeerd. Bij Jupiter is het magnetische veld bijvoorbeeld gevuld met zwavel- en zuurstofionen die worden uitgestoten door de vulkanen op de maan Io. Bij Saturnus spuit de maan Enceladus water de ruimte in, waardoor het magnetische veld van Saturnus wordt gevuld met ionen uit de watergroep.

Meer over de missie

JPL, een divisie van Caltech in Pasadena, Californië, beheert de Juno-missie voor de hoofdonderzoeker, Scott J. Bolton, van het Southwest Research Institute in San Antonio. Juno maakt deel uit van NASA's New Frontiers-programma, dat wordt beheerd in NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, voor het Science Mission Directorate van het bureau in Washington. Lockheed Martin Space in Denver bouwde en exploiteert het ruimtevaartuig.

Meer info op https://www.nasa.gov/mission_pages/juno/main/index.html

Auteur: Jan Vyvey.
Bron: JPL.