Um ihre wissenschaftlichen Ziele zu erreichen, hat die NASA Juno-Raumschiff umkreist die Pole des Jupiter und passiert wiederholt gefährliche Strahlungsgürtel. Zwei Forscher der Boston University schlagen vor, Juno zu verwenden, um den sich ständig ändernden Fluss von vulkanischen Gasen zu untersuchen, die zu Ionen werden, die von Ios Vulkanen ausgespeist werden. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Jupiter ist vielleicht der größte Planet im Sonnensystem mit einem 11-fachen Durchmesser der Erde, aber er verblasst im Vergleich zu seinem eigenen Magnetosphäre . Die magnetische Domäne des Planeten erstreckt sich über mindestens 5 Millionen km in Richtung der Sonne und auf der Rückseite bis zum Saturn mit einer Gesamtlänge von 407 Millionen Meilen oder mehr als der 400-fachen Größe der Sonne.
Das große Magnetfeld des Jupiter interagiert mit dem Sonnenwind, um eine unsichtbare Magnetosphäre zu bilden. Wenn wir es sehen könnten, würde es mindestens mehrere Himmelsgrade umfassen. Es würde seine größte Ausdehnung zeigen, wenn man Jupiter von der Seite bei Quadratur betrachtet, wenn der Planet bei Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang genau südlich steht. In der Darstellung des Künstlers würde sich der Planet zwischen den beiden 'violetten Augen' befinden - zu klein, um das zu sehen Skala. Bildnachweis: NASA.
Hätten wir Augen, die die Jupiter-Magnetosphäre bei Nacht sehen könnten, würde sich ihre tropfenartige Form leicht über mehrere Himmelsgrade erstrecken! Kein Wunder also, dass Joves magnetische Aura als eine der größten Strukturen im Sonnensystem bezeichnet wird.
Eine 5-Frame-Sequenz, die von der Raumsonde New Horizons im Mai 2007 aufgenommen wurde, zeigt eine Wolke aus vulkanischen Trümmern von Ios Vulkan Tvashtar . Die Wolke erstreckt sich etwa 200 Meilen (330 km) über die Mondoberfläche. Bildnachweis: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
das , Jupiters innerster der vier großen Monde des Planeten, kreist tief in dieser riesigen Blase. Trotz seiner geringen Größe – etwa 200 Meilen kleiner als unser eigener Mond – mangelt es ihm nicht an Superlativen. Mit schätzungsweise 400 Vulkanen, von denen viele noch aktiv sind, ist Io der vulkanisch aktivste Körper im Sonnensystem. In der geringen Schwerkraft des Mondes speien Vulkane Schwefel, Schwefeldioxid und Fragmente von Basaltgestein bis zu 500 km weit in den Weltraum in wunderschönen, schirmförmigen Wolken.
Dieses Schema der magnetischen Umgebung des Jupiter zeigt die magnetischen Feldlinien der Planeten (ähnlich denen, die von einem einfachen Stabmagneten erzeugt werden), Io und seinen Plasmatorus und seine Flussröhre. Quelle: John Spencer / Wikipedia CC-BY-SA3.0 mit Beschriftungen des Autors
Einmal in der Höhe treffen Elektronen, die von Jupiters starkem Magnetfeld herumgepeitscht werden, auf die neutralen Gase und ionisieren sie (entfernen ihre Elektronen). Ionisierte Atome und Moleküle ( Ionen ) sind nicht mehr neutral, sondern besitzen eine positive oder negative elektrische Ladung. Astronomen bezeichnen Schwärme ionisierter Atome als Plasma.
Jupiter rotiert schnell, dreht sich alle 9,8 Stunden einmal und zieht die gesamte Magnetosphäre mit sich. Während er an Io vorbeiwirbelt, werden diese vulkanischen Ionen gefangen und mitgerissen und rotieren in einem Ring namens . um den Planeten Io-Plasmaröhre . Sie können es sich als einen riesigen Donut mit Jupiter im 'Loch' und dem leckeren, etwa 8.000 Meilen dicken Ring, der auf Ios Umlaufbahn zentriert ist, vorstellen.
Das ist nicht alles. Das Magnetfeld des Jupiter koppelt auch die Atmosphäre von Io an die Polarregionen des Planeten, pumpt ionische Ionen durch zwei 'Pipelines' zu den Magnetpolen und erzeugt einen starken elektrischen Strom, der als bekannt ist ich flussrohr . Wie Feuerwehrleute auf Feuermasten folgen die Ionen den magnetischen Feldlinien des Planeten in die obere Atmosphäre, wo sie auf Atome treffen und sie anregen, wodurch ein ultraviolett-heller Polarlichtfleck innerhalb der gesamten Polarlichter des Planeten entsteht. Astronomen nennen es den magnetischen Fußabdruck von Io. Der Prozess funktioniert auch umgekehrt und bringt Polarlichter in Ios schwacher Atmosphäre hervor.
Die Neigung von Junos Umlaufbahn relativ zu Jupiter ändert sich im Verlauf der Mission, wodurch die Raumsonde immer tiefer in die intensiven Strahlungsgürtel des Planeten gelangt. Orbits werden von früh bis spät in der Mission nummeriert. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Io ist der Hauptlieferant von Teilchen für die Magnetosphäre des Jupiter. Einige der gleichen Elektronen, die während einer früheren Eruption von Schwefel- und Sauerstoffatomen abgestreift wurden, kehren zurück, um Atome zu treffen, die von späteren Explosionen herausgeschossen wurden. Rund und rund gehen sie in einem großen Zyklus von mikroskopischem Bombardement! Der ständige Fluss geladener Hochgeschwindigkeitsteilchen in der Nähe von Io macht die Region zu einer tödlichen Umgebung nicht nur für den Menschen, sondern auch für die Elektronik von Raumfahrzeugen.
Ios Flussröhre lenkt Ionen entlang der magnetischen Feldlinien von Jupiter, um magnetische Fußabdrücke verbesserter Polarlichter in den Polarregionen des Jupiter zu erzeugen. Ein elektrischer Strom von 5 Millionen Ampere fließt entlang der Flussröhre von Io. Quelle: NASA/J. Clarke/HST
Aber es gibt viel zu erfahren aus diesen Plasmaströmen. Doktorand der Astronomie Phillip Phipps und Assistenzprofessor für Astronomie Paul Withers von der Boston University haben einen Plan ausgeheckt, um mit der Raumsonde Juno Ios Plasmatorus zu untersuchen, um indirekt das Timing und den Materialfluss von Ios Vulkanen in die Magnetosphäre des Jupiter zu untersuchen. In einem Papier veröffentlicht am 25. Januar, schlagen sie vor, Veränderungen des von Juno gesendeten Funksignals zu verwenden, wenn es verschiedene Regionen des Torus durchquert, um zu messen, wie viel Material sich dort befindet und wie sich seine Dichte im Laufe der Zeit ändert.
Die Technik heißt a Funkbedeckung . Radiowellen sind wie weißes Licht eine Form von Licht. Und wie weißes Licht werden sie beim Durchgang durch ein Medium wie Luft (oder Plasma im Fall von Io) gebogen oder gebrochen. Blaues Licht wird stärker verlangsamt und erfährt die stärkste Biegung; Rotes Licht wird weniger verlangsamt und am wenigsten gebrochen, weshalb Rot den äußeren Rand eines Regenbogens und Blau seinen inneren Rand säumt. Bei Radiookkultationen führt die Refraktion zu Frequenzänderungen, die durch Variationen der Plasmadichte in Ios Torus verursacht werden.
Das beste Raumschiff für den Versuch ist eines mit a polare Umlaufbahn um Jupiter herum, wo es bei jeder Umlaufbahn einen sauberen Querschnitt durch verschiedene Teile des Torus schneidet. Erraten Sie, was? Mit ihrer polaren Umlaufbahn ist Juno die Sonde für diesen Job! Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Gravitations- und Magnetfelder von Jupiter zu kartieren, sodass ein Okkultationsexperiment gut mit den Missionszielen übereinstimmt. Frühere Missionen haben nur zwei Funkokkultationen des Torus erzielt, aber Juno könnte möglicherweise Dunk 24 zuschlagen.
New Horizons hat dieses Foto von Io im Infrarotlicht aufgenommen. Der Vulkan Tvastar ist ein Lichtblick an der Spitze. Mindestens 10 weitere vulkanische Hot Spots säumen die Nachtseite des Mondes. Bildnachweis: NASA/JHUPL/SRI
Da das Papier zeigen sollte, dass die Methode machbar ist, bleibt abzuwarten, ob die NASA erwägt, Junos Hausaufgaben ein wenig zusätzliche Kreditarbeit hinzuzufügen. Es scheint ein lohnendes und praktisches Ziel zu sein, das unser Verständnis darüber erweitern wird, wie Vulkane in der bizarren elektrischen und magnetischen Umgebung des größten Planeten Polarlichter erzeugen.