Rymdfarkoster och markteleskop arbetar tillsammans för att ge oss fantastiska nya bilder av Jupiter
Det är svårt att föreställa sig omfattningen av stormarna på Jupiter. Gasjättens mest synliga atmosfäriska inslag, den Stor röd fläck , kan bli mindre, men för hundra år sedan var den cirka 40 000 km (25 000 miles) i diameter, eller tre gånger jordens diameter.
Jupiters atmosfär har också åskhuvuden som är fem gånger högre än jordens: hela 64 km (40 miles) från botten till toppen. Dess atmosfär är inte helt förstådd, även om NASAs Juno-rymdfarkost främjar vår förståelse. Planeten kan innehålla konstiga saker som ett lager flytande metalliskt väte.
Nu kombinerar en grupp forskare kraften från rymdteleskopet Hubble, Gemini-observatoriet och rymdskeppet Juno för att undersöka Jupiters atmosfär och de imponerande stormarna som härjar där.
'Vi vill veta hur Jupiters atmosfär fungerar.'
Michael Wong, UC Berkeley
Michael Wong, från UC Berkeley, leder teamet bakom detta arbete. Teamet inkluderar Imke de Pater, som också är på UC Berkeley, och Amy Simon. Simon kommer från NASA:s Goddard Space Flight Center (GSFC.)
Teamet kombinerar närbilder av Jupiter från Juno, med observationer av flera våglängder från Hubble och Gemini observatorium. Resultaten av deras arbete publiceras i en artikel med titeln ' Högupplöst UV/Optisk/IR-avbildning av Jupiter 2016–2019 .” Den är publicerad i The Astrophysical Journal: Supplement Series.
I ett pressmeddelande sa Wong att han sammanfattade projektet och sa 'Vi vill veta hur Jupiters atmosfär fungerar.'
Jupiters atmosfär är i ett konstant tillstånd av kaos, och stormarnas omfattning dvärgar dem på jorden. Dessa stormar involverar massiva blixtar, upp till tre gånger mer energiska än våra. Lyckligtvis är dessa bultar som radiosändare, och Juno kan höra dem. Var 53:e dag gör rymdfarkosten en förbiflygning av Jupiter.
Junos bana runt Jupiter kommer att vara mycket elliptisk eftersom den kämpar med Jupiters kraftfulla strålningsbälten. När den är nära Jupiter kan den 'höra' signaler från Jupiters stormar. Bild: NASA/JPL
Vid dessa tillfällen kan den 'höra' bultarna och deras radiosignaler som kallas 'sferics' (förkortning för 'radioatmosfäriska signaler') och 'whistlers'. Forskare använder dessa signaler för att kartlägga blixtarna, även om de är skymd för sikte, djupt inne i Jupiters enorma atmosfär.
Hubble och Gemini deltar i detta nya kombinerade observationsprogram. Varje gång Juno kommer nära Jupiter och hör signalerna från belysningsbultarna, fångar Hubble och Gemini globala bilder av planeten. Dessa bilder är nyckeln till att tolka och förstå Junos data.
'Junos mikrovågsradiometer sonderar djupt in i planetens atmosfär genom att upptäcka högfrekventa radiovågor som kan penetrera genom de tjocka molnskikten,' förklarade Simon i en pressmeddelande . 'Data från Hubble och Gemini kan berätta för oss hur tjocka molnen är och hur djupt vi ser in i molnen.'
Ett av Gemini Observatorys 8,1 meter långa teleskop, med Vintergatan välvd ovanför. Bildkredit: Gemini Observatory/AURA bild av Joy Pollard
Teamets metod använder sig av Hubble-bilder av synligt ljus och Gemini termiska infraröda bilder. Bilderna kombineras och Juno-blixtarna mappas på bilderna. Som ett resultat har forskarteamet visat hur åskstormar är 'associerade med en trevägskombination av molnstrukturer: djupa moln gjorda av vatten, stora konvektiva torn orsakade av uppströmning av fuktig luft - huvudsakligen jovianska åskhuvuden - och klara regioner förmodligen orsakad av nedsvällning av torrare luft utanför konvektionstornen.”
Den här grafiken visar observationer och tolkningar av molnstrukturer och atmosfärisk cirkulation på Jupiter från rymdfarkosten Juno, rymdteleskopet Hubble och Gemini-observatoriet. Genom att kombinera Juno-, Hubble- och Gemini-data kan forskare se att blixtar samlas i turbulenta områden där det finns djupa vattenmoln och där fuktig luft stiger för att bilda höga konvektiva torn som liknar cumulonimbusmoln (åskhuvuden) på jorden. Den nedersta illustrationen av blixtar, konvektiva torn, djupa vattenmoln och gläntor i Jupiters atmosfär är baserad på data från Juno, Hubble och Tvillingarna, och motsvarar transekten (vinklad vit linje) som anges på Hubble- och Tvillingarnas kartdetaljer. Kombinationen av observationer kan användas för att kartlägga molnstrukturen i tre dimensioner och härleda detaljer om atmosfärisk cirkulation. Tjocka, höga moln bildas där fuktig luft stiger upp (uppströmning och aktiv konvektion). Röjningar bildas där torrare luft sjunker (downwelling). Molnen som visas reser sig fem gånger högre än liknande konvektiva torn i jordens relativt grunda atmosfär. Den illustrerade regionen täcker en horisontell spännvidd som är en tredjedel större än den i det kontinentala USA.
Krediter: NASA, ESA, M.H. Wong (UC Berkeley), A. James och M.W. Carruthers (STScI) och S. Brown (JPL)
Hubble-data visar höjden på de tjocka molnen i de konvektiva tornen, såväl som djupet på djupa vattenmoln. Tvillingdatan avslöjar tydligt gläntorna i högnivåmolnen där det är möjligt att få en glimt ner till djupvattenmolnen.
I pressmeddelandet förklarade Wong några av teamets resultat. Wong säger att det finns en typ av område i Jupiters atmosfär som kallas f gammal filamentär region . Det är där fuktig konvektion äger rum och där blixtar är vanliga. 'Dessa cyklonvirvlar kan vara intern energi skorstenar, hjälpa frigöra intern energi genom konvektion,' sade han. 'Det händer inte överallt, men något med dessa cykloner verkar underlätta konvektion.'
En Juno-bild av Jupiter som visar ett vikt filamentärt område. Det är en stormig och kaotisk region på planetens norra halvklot. Bildkredit: Bilddata: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS
Bildbehandling av Kevin M. Gill, © CC BY
Jupiter är solsystemets största planet, och att upptäcka mer om den berättar mer om resten av solsystemet. Genom att korrelera blixtar med djupa vattenmoln kan forskare bättre uppskatta hur mycket vatten som finns i Jupiters atmosfär. Det är viktigt eftersom det ger ledtrådar till hur Jupiter bildades. Inte bara Jupiter, utan även andra gasjättar, till och med själva solsystemet.
Och även om forskare har studerat Jupiter intensivt, finns det en hel del de inte vet. Överst på listan står kanske frågan om hur mycket vatten den har i sin djupa atmosfär. Vi har inte heller en solid förståelse för hur värme flödar från interiören, och vad som orsakar färgerna och formerna på molnen. Denna nya ansträngning ger en viss förståelse för hur Jupiters atmosfär är uppbyggd och hur den beter sig.
Jupiter bildades troligen i det yttre solsystemet, vandrade sedan närmare solen, innan han hamnade i sin nuvarande omloppsbana. Jupiters sydpol, tagen under en Juno-förbiflygning, 16 december 2017. Bildkredit: NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / David Marriott
Jupiters mest observerade egenskap måste vara Stor röd fläck (GRS), en förbryllande form som människor har sett sedan åtminstone 1830.
Tack vare all uppmärksamhet som Jupiter får från Hubble och från Tvillingarna, studerar forskare kortsiktiga förändringar i GRS. Det finns mörka drag inuti GRS som astronomer har sett på bilder när de kommer och går. Men detta observationsprogram ger astronomer en unik möjlighet att titta närmare på dessa funktioner.
Ovanstående bilder av Jupiters stora röda fläck gjordes med hjälp av data som samlats in av rymdteleskopet Hubble och Gemini-observatoriet den 1 april 2018. Genom att kombinera observationer som fångats nästan samtidigt från de två olika observatorierna kunde astronomer fastställa att mörkret funktioner på den stora röda fläcken är hål i molnen snarare än massor av mörkt material. Bildkredit: NASA, ESA och M.H. Wong (UC Berkeley) och team.
Som det visar sig är de mörka dragen som visas i synligt ljus motsatsen i infrarött: de är ljusa fläckar istället. Det betyder att de faktiskt är hål i molnen. Värme från Jupiters djupare lager försvinner genom hålen i molnen, lätt att se på infraröda bilder från Tvillingarna.
'Det är ungefär som en jack-o-lantern,' sa Wong. 'Du ser starkt infrarött ljus som kommer från molnfria områden, men där det finns moln är det riktigt mörkt i det infraröda.'
Studien beskriver hur andra funktioner i Jupiters atmosfär fungerar, särskilt hur olika kemikalier cirkulerar genom atmosfären, förändringar i vindriktning och arten av olika stora cykloner. Författarna betonar hur effektiv den kombinerade observationskraften hos Hubble, Tvillingarna och Juno när det gäller att låsa upp några av Jupiters hemligheter.
'Eftersom vi nu rutinmässigt har dessa högupplösta vyer från ett par olika observatorier och våglängder, lär vi oss så mycket mer om Jupiters väder,' förklarade Simon. 'Detta är vår motsvarighet till en vädersatellit. Vi kan äntligen börja titta på vädercykler.'
Det finns mycket mer vetenskap att göra med data som Wong och teamet har samlat in. Det finns inget sätt att förutse alla upptäckter det kan leda till. Data från Cassini-uppdraget leder fortfarande till nya upptäckter om Saturnus och dess månar, och detsamma kan vara sant för Juno när dess uppdrag är avslutat. Teamet bakom denna studie gör all sin data tillgänglig så att andra kan komma åt den i sitt eget arbete.
'Vad som är viktigt är att vi har lyckats samla in denna enorma datamängd som stöder Juno-uppdraget. Det finns så många tillämpningar av datamängden att vi kanske inte ens förutser. Så vi kommer att göra det möjligt för andra människor att göra vetenskap utan den barriären att behöva ta reda på på egen hand hur de ska bearbeta data, säger Wong.