Dzięki czułym kamerom na podczerwień i spektrometrowi o wysokiej rozdzielczości Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) odkrywa nowe sekrety galilejskich satelitów Jowisza, w szczególności Ganimedesa, największego księżyca, oraz Io, najbardziej aktywnego wulkanicznie.
W dwóch oddzielnych publikacjach astronomowie, którzy są częścią programu Early Release Science JWST, donoszą o pierwszym wykryciu nadtlenku wodoru na Ganimedesie i oparów siarki na Io, co jest wynikiem dominującego wpływu Jowisza.
„To pokazuje, że możemy dokonać niesamowitej nauki za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba na obiektach Układu Słonecznego, nawet jeśli obiekt jest naprawdę bardzo jasny, jak Jowisz, ale także wtedy, gdy patrzy się na bardzo słabe obiekty obok Jowisza” – powiedział Imke de Pater , emerytowany profesor astronomii i nauk o Ziemi i planetach na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. De Pater i Thierry Fouchet z Obserwatorium Paryskiego są współgłównymi badaczami zespołu obserwacji Układu Słonecznego Early Release Science, jednego z 13 zespołów, które otrzymały wczesny dostęp do teleskopu.
Samantha Trumbo, doktor habilitowany 51 Pegasi b na Cornell University, kierowała badaniem Ganimedesa, które zostało opublikowane 21 lipca w czasopiśmie Science Advances. Wykorzystując pomiary wykonane przez spektrometr bliskiej podczerwieni (NIRSpec) na JWST, zespół wykrył absorpcję światła przez nadtlenek wodoru – H2O2 – wokół biegunów północnego i południowego Księżyca, w wyniku zderzenia naładowanych cząstek wokół Jowisza i Ganimedesa z Księżycem. lód pokrywający księżyc.
„JWST ujawniający obecność nadtlenku wodoru na biegunach Ganimedesa pokazuje po raz pierwszy, że naładowane cząstki poruszające się wzdłuż pola magnetycznego Ganimedesa preferencyjnie zmieniają chemię powierzchni jego czap polarnych” – 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 radiolizą – które następnie rekombinują, tworząc H2O2. Podejrzewali, że na Ganimedesie dojdzie do radiolizy głównie wokół biegunów, ponieważ w przeciwieństwie do wszystkich innych księżyców w naszym Układzie Słonecznym ma on pole magnetyczne, które kieruje naładowane cząstki w kierunku biegunów.
„Podobnie jak pole magnetyczne Ziemi kieruje naładowane cząstki ze Słońca na najwyższe szerokości geograficzne, powodując zorzę polarną, pole magnetyczne Ganimedesa robi to samo z naładowanymi cząstkami z magnetosfery Jowisza” – dodała. „Cząsteczki te nie tylko powodują zorzę polarną na Ganimedesie, ale także wpływają na lodową powierzchnię”.
Trumbo i Michael Brown, profesor astronomii planetarnej w Caltech, gdzie Trumbo niedawno uzyskała tytuł doktora, wcześniej badali nadtlenek wodoru na Europie, kolejnym z czterech galilejskich satelitów Jowisza. Jednak na Europie nadtlenek był wykrywalny na znacznej części powierzchni, być może częściowo dlatego, że nie ma pola magnetycznego, które chroniłoby powierzchnię przed szybko poruszającymi się cząstkami krążącymi wokół Jowisza.
„To prawdopodobnie bardzo ważny i szeroko rozpowszechniony proces” – powiedział Trumbo. „Te obserwacje Ganimedesa zapewniają kluczowe okno do zrozumienia, w jaki sposób taka radioliza wody może napędzać chemię lodowych ciał w całym zewnętrznym Układzie Słonecznym, w tym na sąsiedniej Europie i Kallisto (czwarty księżyc galilejski)”.
„Pomaga zrozumieć, jak działa ta tak zwana radioliza i że rzeczywiście działa tak, jak ludzie oczekiwali, na podstawie eksperymentów laboratoryjnych na Ziemi” – powiedział de Pater.
Siarkowe środowisko Io
W drugim artykule, przyjętym do publikacji w czasopiśmie JGR: Planets, publikacji Amerykańskiej Unii Geofizycznej, de Pater i jej współpracownicy donoszą o nowych obserwacjach Webba Io, które pokazują kilka trwających erupcji, w tym pojaśnienie kompleksu wulkanicznego o nazwie Loki Patera i wyjątkowo jasna erupcja w Kanehekili Fluctus. Ponieważ Io jest jedynym aktywnym wulkanicznie księżycem w Układzie Słonecznym – grawitacyjne pchanie i przyciąganie Jowisza podgrzewa go – badania takie jak te dają planetologom inną perspektywę niż ta, którą można uzyskać badając wulkany na Ziemi.
Po raz pierwszy naukowcom udało się powiązać erupcję wulkanu – w Kanehekili Fluctus – z określoną linią emisji, tak zwaną „zakazaną” linią gazowego tlenku siarki (SO).
Dwutlenek siarki (SO2) jest głównym składnikiem atmosfery Io, pochodzącym z sublimacji lodu SO2, jak również trwających erupcji wulkanicznych, podobnych do produkcji SO2 przez wulkany na Ziemi. Wulkany wytwarzają również SO, który jest znacznie trudniejszy do wykrycia niż SO2. W szczególności zabroniona linia emisji SO jest bardzo słaba, ponieważ SO występuje w tak 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 jest dostrzec świecące gazy SO. Kiedy Io znajduje się w cieniu Jowisza, gaz SO2 w atmosferze Io zamarza na jego powierzchni, pozostawiając w atmosferze jedynie SO2 i nowo wyemitowany gaz wulkaniczny SO2.
„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 odkryła niski poziom zakazanej emisji SO na większej części Księżyca, ale nie była w stanie powiązać gorących punktów SO z aktywnym wulkanem. Podejrzewa, że znaczna część tego SO, jak również SO2 obserwowanego podczas zaćmienia, pochodzi z tak zwanych ukrytych wulkanów, które wyrzucają gaz, ale nie pył, co czyni je widocznymi.
Dwadzieścia lat temu de Pater i jej zespół zasugerowali, że ten stan wzbudzenia SO może być wytwarzany tylko w gorących kominach wulkanicznych, a rozrzedzona atmosfera pozwala na utrzymywanie się tego stanu wystarczająco długo – kilka sekund – aby wyemitować zakazaną linię . Zwykle stany wzbudzone, które powodują tę emisję, są szybko tłumione przez zderzenia z innymi cząsteczkami w atmosferze i nigdy ich nie widać. Tylko w częściach atmosfery, w których gaz jest rzadki, takie stany wzbudzenia trwają wystarczająco długo, aby wyemitować zabronione linie. Zieleń i czerwień ziemskich zórz polarnych powstają w wyniku zabronionych przemian tlenu w rozrzedzonych górnych warstwach atmosfery.
“Związek między SO a wulkanami wiąże się z hipotezą, którą mieliśmy w 2002 roku, aby wyjaśnić, w jaki sposób w ogóle mogliśmy zobaczyć emisję SO” – powiedziała. „Jedynym sposobem, w jaki moglibyśmy wyjaśnić tę emisję, jest to, że SO jest wzbudzany w kominie wulkanicznym w temperaturze około 1500 kelwinów i że wychodzi w tym stanie wzbudzonym, traci foton w ciągu kilku sekund, i to jest widzimy emisję. Tak więc te obserwacje są pierwszymi, które faktycznie pokazują, że jest to najbardziej prawdopodobny mechanizm, dlaczego widzimy to SO ”.
Webb ponownie będzie obserwował Io w sierpniu za pomocą NIRSpec. Najbliższa obserwacja oraz wcześniejsza, która miała miejsce 15 listopada 2022 r., zostały wykonane, gdy Io znajdowała się w cieniu Jowisza, aby światło odbite od planety nie przyćmiło światła pochodzącego z Io.
De Pater zauważył również, że pojaśnienie Loki Patera było zgodne z obserwowanym okresem erupcji wulkanu, które rozjaśniają się średnio co około 500 ziemskich dni, a pojaśnienie trwa kilka miesięcy. Ustaliła to, ponieważ nie był jasny, gdy obserwowała księżyc za pomocą Kecka w sierpniu i wrześniu 2022 r., ani nie był jasny, gdy inny astronom obserwował go od kwietnia do lipca 2022 r. Tylko JWST uchwycił to wydarzenie.
„Obserwacje Webba pokazały, że faktycznie zaczęły się erupcje i że było znacznie jaśniejsze niż to, co widzieliśmy we wrześniu” – powiedziała.
Podczas gdy De Pater koncentruje się głównie na układzie Jowisza – jego pierścieniach, małych księżycach oraz większych księżycach Ganimedesie i Io – ona i inni członkowie wczesnego zespołu naukowego złożonego z około 80 astronomów również używają JWST do badania układów planetarnych Saturna , Uran i Neptun.