Kosmiczny Teleskop Webba zapewnia bezprecedensowy wgląd w księżyce Jowisza

Pionierskie notatki wg Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Ujawnił obecność nadtlenku wodoru na Ganimedesie i trwające erupcje wulkanów na Io, poszerzając nasze zrozumienie Jowiszsatelity szerszego układu słonecznego.

Dzięki czułym kamerom na podczerwień i spektrometrowi o wysokiej rozdzielczości Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) odkrywa nowe tajemnice galilejskich satelitów Jowisza, w szczególności Ganimedesa, największego księżyca, oraz Io, najbardziej aktywnego wulkanicznie.

W dwóch oddzielnych publikacjach astronomowie, którzy są częścią programu Early Launch Science JWST, donoszą o pierwszym wykryciu nadtlenku wodoru na Ganimedesie i oparów siarki na Io, w obu przypadkach w wyniku wpływu dominującego Jowisza.

„To pokazuje, że możemy dokonać niesamowitej nauki za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba na ciałach Układu Słonecznego, nawet jeśli jest to naprawdę bardzo jasny obiekt, jak Jowisz, ale także gdy patrzy się na bardzo słabe obiekty obok Jowisza” – powiedziała Emke de Pater , emerytowany profesor nauk ścisłych Astronomia, nauki o ziemi i planety w Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley. De Pater i Thierry Fouchet z Obserwatorium Paryskiego są głównymi badaczami zespołu Solar System Observing Early Launch Science, jednego z 13 zespołów, które otrzymały wczesny dostęp do teleskopu.

Widmowa mapa Ganimedesa pochodząca z pomiarów JWST pokazuje absorpcję światła wokół charakterystycznych biegunów cząsteczki nadtlenku wodoru. Okrąg określa powierzchnie księżyca. Źródło: Samantha Trumbo, Cornell

Badanie Ganimedesa nad nadtlenkiem wodoru

Samantha Trumbo, doktor habilitowany 51 Pegasi b na Cornell University, kierowała badaniem Ganimedesa, które zostało opublikowane 21 lipca w czasopiśmie Nature. Postęp nauki. Wykorzystując pomiary wykonane przez spektrometr bliskiej podczerwieni (NIROSpec) na JWST, zespół wykrył absorpcję światła przez nadtlenek wodoru – H₂A₂ – wokół północnego i południowego bieguna Księżyca, w wyniku zderzenia naładowanych cząstek wokół Jowisza i Ganimedesa w lód pokrywający Księżyc.

„Wykrywanie przez JWST nadtlenku wodoru na biegunach Ganimedesa po raz pierwszy pokazuje, że naładowane cząstki przechodzące wzdłuż pola magnetycznego Ganimedesa preferencyjnie zmieniają chemię powierzchni czapek biegunów” – powiedział Trumbo.

Astronomowie twierdzą, że nadtlenek jest wytwarzany przez naładowane cząstki uderzające w zamarzniętą wodę wokół biegunów i rozbijające cząsteczki wody na fragmenty – proces zwany rozpadem radioaktywnym – które następnie łączą się, tworząc H₂A₂. Podejrzewali, że rozpad promieniotwórczy będzie zachodził głównie wokół biegunów na Ganimedesie, ponieważ w przeciwieństwie do wszystkich innych księżyców w naszym Układzie Słonecznym ma on pole magnetyczne, które kieruje naładowane cząstki w kierunku biegunów.

Zbliżenia Ganimedesa (po lewej), wykonane przez sondę kosmiczną NASA Juno w 2021 r., oraz Io (po prawej), wykonane przez sondę kosmiczną NASA Galileo w 1997 r. Źródło: NASA/JPL/USGS

Porównanie pola magnetycznego z Europą

„Podobnie jak pole magnetyczne Ziemi kieruje naładowane cząstki ze Słońca na wyższe szerokości geograficzne, powodując zorzę polarną, pole magnetyczne Ganimedesa robi to samo z naładowanymi cząstkami z magnetosfery Jowisza” – dodała. „Te cząstki nie tylko wytwarzają zorze polarne na Ganimedesie, ale także wpływają na lodową powierzchnię”.

Trumbo i Michael Brown, profesor astronomii planetarnej w Caltech, gdzie Trumbo niedawno uzyskała doktorat, wcześniej badali nadtlenek wodoru na Europie, jednym z czterech galileuszowych księżyców Jowisza. Na Europie nadtlenek był wykrywalny na większości powierzchni, być może częściowo, ponieważ nie miał pola magnetycznego chroniącego powierzchnię przed szybko poruszającymi się cząstkami krążącymi wokół Jowisza.

Implikacje dla zewnętrznego Układu Słonecznego

„To potencjalnie będzie naprawdę ważna operacja na dużą skalę” – powiedział Trumbo. „Te obserwacje Ganimedesa zapewniają kluczowe okno do zrozumienia, w jaki sposób taki radioaktywny rozpad wody może napędzać chemię na lodowych ciałach w całym zewnętrznym Układzie Słonecznym, w tym na sąsiedniej Europie i Kallisto (czwarty księżyc galilejski)”.

„Właściwie pomaga zrozumieć, jak działa rozpad promieniotwórczy, a to w rzeczywistości działa tak dobrze, jak ludzie oczekiwali, na podstawie eksperymentów laboratoryjnych na Ziemi” – powiedział De Pater.

Zdjęcie Io w podczerwieni JWST pokazuje gorące erupcje Kanehekili Fluctus (w środku) i Loki Patera (po prawej). Okrąg oznacza powierzchnię księżyca. Źródło: Imke de Pater, University of California, Berkeley

Siarkowe środowisko Io

W drugim artykule przyjętym do publikacji w czasopiśmie JGR: PlanetyDe Pater, publikacja Amerykańskiej Unii Geofizycznej, i jej współpracownicy donoszą o nowych obserwacjach Webba Io, które pokazują kilka trwających erupcji, w tym rozjaśnienie w kompleksie wulkanicznym o nazwie Loki Patera i wyjątkowo jasną erupcję w Kanehekili Fluctus. Ponieważ Io jest jedynym aktywnym wulkanicznie księżycem w Układzie Słonecznym – grawitacja Jowisza pcha go i przyciąga – badania takie jak te dają planetologom inną perspektywę niż ta, którą można uzyskać, badając wulkany na Ziemi.

Po raz pierwszy naukowcom udało się skorelować erupcję wulkanu – w Kanehekili Fluctus – z określoną linią emisji, tak zwaną „zakazaną” linią, gazowego tlenku siarki (SO).

Pomiary JWST uzyskane w listopadzie 2022 r. nałożone na mapę powierzchni Io. Termiczne pomiary w podczerwieni (po lewej) pokazują jasność Kanekehili Fluctus, dużego obszaru wulkanicznego, aw okresie obserwacji bardzo aktywnego regionu wulkanicznego na Io. Pomiary spektralne (po prawej) pokazują zabronione emisje w podczerwieni z tlenku siarki skupionego w regionie wulkanicznym. Zbieg okoliczności potwierdza teorię, że SO jest wytwarzany w kominach wulkanicznych, aw bardzo rzadkiej atmosferze Io utrzymuje się wystarczająco długo, aby wyemitować zakazaną smugę, która normalnie zostałaby stłumiona przez zderzenia z innymi cząsteczkami w atmosferze. Źródło: Chris Moeckel i Emke De Pater, UC Berkeley; Mapa Io dzięki uprzejmości USGS

Zrozumieć Joe IU

Dwutlenek siarki (SO₂) jest głównym składnikiem atmosfery Io, pochodzącym z sublimacji SO2₂ Lód, jak również ciągłe erupcje wulkanów, są podobne do produkcji SO₂ przez wulkany na Ziemi. Wulkany wytwarzają również dwutlenek siarki, który jest znacznie trudniejszy do wykrycia niż do wykrycia₂. W szczególności zablokowana linia emisji SO jest bardzo słaba, ponieważ SO występuje w niskich stężeniach i jest wytwarzany tylko przez krótki czas po wzbudzeniu. Co więcej, obserwacje można prowadzić tylko wtedy, gdy Io znajduje się w cieniu Jowisza, kiedy łatwiej dostrzec świecące gazy SO. Kiedy Io jest w cieniu Jowisza, SO₂ Gaz w atmosferze Io krzepnie na jego powierzchni, pozostawiając jedynie dwutlenek siarki i nowo wyemitowany wulkaniczny dwutlenek siarki₂ gaz w atmosferze.

Związek między SO a wulkanami

„Te obserwacje z Webbem pokazują po raz pierwszy, że SO rzeczywiście pochodzi z wulkanu” – powiedział de Pater.

De Pater prowadziła wcześniejsze obserwacje Io za pomocą teleskopu Kecka na Hawajach i stwierdziła, że ​​niski poziom emisji SO nie pozwala na większą część powierzchni Księżyca, ale nie była w stanie powiązać gorących punktów SO z aktywnym wulkanem. Podejrzewa, że ​​wiele SO, jak również SO₂ Jest widoczny podczas zaćmień, pochodzących z tak zwanych wulkanów duchów, które zamiast pyłu wyrzucają gaz, dzięki czemu są widoczne.

Dwadzieścia lat temu de Pater i jej zespół zasugerowali, że ten stan wzbudzenia SO może być wytwarzany tylko w gorących kominach wulkanicznych, a słaba atmosfera pozwala na utrzymywanie się tego stanu wystarczająco długo – kilka sekund – aby wyemitować zakazaną smugę. Zwykle stany wzbudzone, które powodują tę emisję, szybko zanikają, zderzając się z innymi cząstkami w atmosferze i nigdy wcześniej ich nie widziano. Tylko w częściach atmosfery, w których gaz jest rzadki, te stany wzbudzone utrzymują się wystarczająco długo, aby emitować zakazane smugi. Zielone i czerwone kolory zorzy polarnej są spowodowane zakazanymi przejściami tlenu w rzadkich górnych warstwach atmosfery.

Więcej uwag i wniosków końcowych

„Związek między SO a wulkanami jest związany z hipotezą, którą mieliśmy w 2002 roku, aby wyjaśnić, w jaki sposób w ogóle możemy zobaczyć emisje dwutlenku siarki” – powiedziała. „Jedynym sposobem, w jaki możemy wyjaśnić tę emisję, jest to, że SO jest wzbudzany w kominie wulkanicznym w temperaturze około 1500 K i wychodzi w tym stanie wzbudzonym, tracąc Foton W ciągu kilku sekund jest to emisja, którą widzimy. Tak więc te obserwacje są pierwszymi, które faktycznie pokazują, że jest to najbardziej prawdopodobny mechanizm, dlaczego widzimy to SO”.

Webb Io będzie ponownie obserwował w sierpniu za pomocą NIRSpec. Następna i poprzednia obserwacja, która miała miejsce 15 listopada 2022 r., została wykonana, gdy Io znajdowała się w cieniu Jowisza, aby światło z Io nie zostało przyćmione przez światło odbijające się od planety.

De Pater zauważył również, że jasność Loki Patera była zgodna z obserwowanym okresem erupcji wulkanicznych na wulkanie, które zapalają się średnio co około 500 ziemskich dni, a jasność trwa kilka miesięcy. Ustaliłem to, ponieważ nie był jasny, gdy obserwowałem księżyc za pomocą Kecka w sierpniu i wrześniu 2022 r., i nie był jasny, gdy inny astronom obserwował go od kwietnia do lipca 2022 r. Tylko Centrum Kosmiczne Jamesa Webba (JWST) uchwyciło to wydarzenie.

„Obserwacje Webba wykazały, że erupcje już się rozpoczęły i były znacznie jaśniejsze niż to, co widzieliśmy we wrześniu” – powiedziała.

Podczas gdy De Pater koncentruje się głównie na układzie Jowisza – jego pierścieniach, mniejszych księżycach i większych księżycach Ganimedesie i Io – ona i inni członkowie wczesnego zespołu naukowego złożonego z 80 astronomów wykorzystują teorię JWST do badania układów planetarnych. SaturnI Uran I Neptun.

Bibliografia:

„Nadtlenek wodoru w elektrodach Ganimedesa” Samantha K. Trumbo, Michael E. Brown, Dominique Boquele-Morvan, Emke De Pater, Thierry Fouchet, Michael H. Wong, Stephanie Cazaaux, Lee N. Fletcher, Catherine De Claire, Emmanuel Lelouch, Alessandro Mora, Olivier Bosch, Eric Kerico, Pablo Rodriguez -Ovalle, Marc R. Showalter, Matthew S. Tiscarino i Federico Tosi, 21 lipca 2023 r. Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adg3724

„Erupcja energetyczna z towarzyszącymi emisjami 1,707 μm SO w Io Kanehekili Fluctus i jasnym wydarzeniem w Loki Patera monitorowanym przez JWST” Emke de Pater, Emmanuelle Lellouche, Daryl F. Strobel, Catherine de Claire, Thierry Fouchet, Michael H. Wong, Holler, John Stansbury, Patrick M. Frey, Michael E. Brown, Dominic Bukele-Morvan, Samantha K. Trumbo, L.N. Fletcher, Matthew M. Hedmann, Edward M. Moulter, Mark Showalter, Matthew S. Tiscarino, Stephanie Cazaaux, Ricardo Hueso, Statia Losch-Cook, Henrik Millen, Chris Moeckel, Alessandro Mora, Glenn Orton, Lorenz Roth, Joachim Sauer, Federico Tosi, 18 lipca 2023 r. Dostępne tutaj. JGR: Planety.
doi: 10.1029/2023JE007872