Met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), waarin de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) partner is, heeft een team van astronomen voor het eerst rechtstreeks windsnelheden gemeten in het middelste deel van de atmosfeer van Jupiter. Door de nasleep te analyseren van een botsing met een komeet in de jaren '90 van de vorige eeuw, hebben de wetenschappers ongelooflijk krachtige winden, met snelheden tot wel 1450 kilometer per uur, ontdekt nabij de polen van de planeet – een ‘uniek meteorologisch monster’, aldus zijn ontdekkers.
Jupiter staat bekend om zijn opvallende rode en witte banden: wervelende wolken van bewegend gas die van oudsher door astronomen worden gebruikt om de winden in het onderste deel van de Jupiteratmosfeer te volgen. Daarnaast hebben astronomen nabij de polen van Jupiter ook de heldere gloed van zogeheten poollichten gezien, die verband lijken te houden met de sterke winden in het bovenste deel van de atmosfeer. Maar tot nu toe was het nog nooit gelukt om de windpatronen in het tussenliggende deel van de atmosfeer – de stratosfeer – rechtstreeks te meten. De windsnelheden in de stratosfeer van Jupiter kunnen niet worden gemeten door de verplaatsingen van wolken te volgen, omdat er in dit deel van de atmosfeer geen wolken te vinden zijn. De astronomen kregen echter een alternatief hulpmiddel in de schoot geworpen, in de vorm van de komeet Shoemaker-Levy 9, die in 1994 op spectaculaire wijze in botsing kwam met de gasreus. Bij deze inslag zijn nieuwe soorten moleculen in de stratosfeer van Jupiter ontstaan, die sindsdien met de winden mee bewegen.
Een team van astronomen, onder leiding van Thibault Cavalié van het Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux in Frankrijk, heeft nu een van deze molecuulsoorten – waterstofcyaniden – getraceerd om rechtstreekse metingen te kunnen doen van de stratosferische straalstromen op Jupiter. Straalstromen komen ook op aarde voor: het zijn smalle langgerekte banden in de atmosfeer die zeer hoge windsnelheden bereiken. ‘Het meest spectaculaire resultaat is de ontdekking van sterke straalstromen, met snelheden tot wel 400 meter per seconde, die zich onder de poollichten bij de polen bevinden’, zegt Cavalié. Deze windsnelheden, overeenkomend met ongeveer 1450 kilometer per uur, zijn meer dan twee keer zo groot als de maximale stormsnelheden die in de Grote Rode Vlek van Jupiter worden bereikt en meer dan drie keer zo groot als de windsnelheden die in de krachtigste tornado’s op aarde worden gemeten.
‘Onze meting wijst erop dat deze straalstromen zich zouden kunnen gedragen als één reusachtige draaikolk, met viermaal de middellijn van de aarde en circa 900 kilometer hoog,’ legt medeauteur Bilal Benmahi, ook van het Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux uit. ‘Een vortex van deze omvang zou een uniek meteorologisch monster zijn in ons zonnestelsel,’ voegt Cavalié daaraan toe. Astronomen waren al bekend met krachtige winden rond de polen van Jupiter, maar dan veel hoger in de atmosfeer – honderden kilometers boven het gebied waar dit nieuwe onderzoek betrekking op heeft en waarvan de resultaten vandaag in Astronomy & Astrophysics zijn gepubliceerd. Eerdere onderzoeken hadden voorspeld dat deze winden in de hoge atmosfeer naar onderen toe in snelheid zouden afnemen, en lang voordat ze de diepte van de stratosfeer bereiken zouden verdwijnen. ‘De nieuwe ALMA-gegevens vertellen ons iets heel anders,’ zegt Cavalié, om daaraan toe te voegen dat de ontdekking van deze krachtige stratosferische winden nabij de polen van Jupiter een ‘echte verrassing’ was.
Voor hun analyse van de waterstofcyanide-moleculen die sinds de inslag van Shoemaker-Levy 9 in de stratosfeer van Jupiter rondgaan, hebben de astronomen gebruik gemaakt van 42 van de 66 nauwkeurige schotelantennes van ALMA, die in de Atacama-woestijn in het noorden van Chili staan opgesteld. Met ALMA hebben ze metingen gedaan van de dopplerverschuiving – kleine veranderingen in de frequentie van de straling die door de moleculen worden uitgezonden – die door de winden in dit deel van de planeet worden veroorzaakt. ‘Door deze verschuivingen te meten, konden we de windsnelheden deduceren, net zoals je de snelheid van een langsrazende trein kunt afleiden uit de verandering in toonhoogte van zijn toeter,’ legt medeauteur Vincent Hue, planeetwetenschapper aan het Southwest Research Institute in de VS, uit. Naast de verrassende polaire winden heeft het team met ALMA tevens het bestaan kunnen bevestigen van krachtige stratosferische winden rond de evenaar van de planeet. Ook van deze winden zijn voor het eerst de snelheden rechtstreeks gemeten. De waargenomen straalstromen in dit deel van de planeet hebben snelheden van gemiddeld ongeveer 600 kilometer per uur.
De ALMA-waarnemingen die nodig waren om de stratosferische winden rond beide polen en aan de evenaar van Jupiter te meten namen minder dan dertig minuten aan telescooptijd in beslag. ‘De hoge mate van detail die we in die korte tijd hebben bereikt toont de kracht van ALMA aan,’ zegt medeauteur Thomas Greathouse, ook wetenschapper aan het Southwest Research Institute in de VS. ‘Het is verbazingwekkend om de eerste directe meting van deze winden te zien.’ ‘Deze ALMA-resultaten openen een nieuw venster voor het onderzoek van de Jupiters poollichtgebieden – iets wat nog maar een paar maanden geleden voor onmogelijk werd gehouden,’ zegt Cavalié. ‘Ze effenen ook de weg voor soortgelijke, maar uitgebreidere metingen die door de JUICE-missie en zijn Submillimeter Wave-instrument kunnen worden uitgevoerd,’ voegt Greathouse daaraan toe, verwijzend naar de JUpiter ICy moons Explorer van het Europese ruimteagentschap ESA, die naar verwachting volgend jaar zal worden gelanceerd.
Ook ESO’s nieuwe Extremely Large Telescope (ELT), die later dit decennium een gebruik wordt genomen, zal Jupiter gaan onderzoeken. Deze telescoop zal in staat zijn om zeer gedetailleerde opnamen te maken van de poollichten van Jupiter, en ons nog meer inzicht geven in zijn atmosfeer.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘First direct measurement of auroral and equatorial jets in the stratosphere of Jupiter’, dat vandaag in Astronomy & Astrophysics (doi: 10.1051/0004-6361/202140330) is gepubliceerd.
Het onderzoeksteam bestaat uit T. Cavalié (Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux [LAB], Frankrijk, en LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University [LESIA], Frankrijk), B. Benmahi (LAB), V. Hue (Southwest Research Institute [SwRI], VS), R. Moreno (LESIA), E. Lellouch (LESIA), T. Fouchet (LESIA), P. Hartogh (Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung [MPS], Duitsland), L. Rezac (MPS), T.K. Greathouse (SwRI), G.R. Gladstone (SwRI), J.A. Sinclair (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, VS), M. Dobrijevic (LAB), F. Billebaud (LAB) en C. Jarchow (MPS).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en verreweg de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili, met Australië als strategische partner. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT) en haar toonaangevende Very Large Telescope Interferometer, evenals twee surveytelescopen – VISTA, die in het infrarood werkt, en de op zichtbare golflengten opererende VLT Survey Telescope. Ook op Paranal zal ESO onderkomen bieden aan en het beheer voeren over de Cherenkov Telescope Array South, ’s werelds grootste en meest gevoelige observatorium van gammastraling. ESO speelt tevens een belangrijke partnerrol bij twee faciliteiten op Chajnantor, APEX en ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Extremely Large Telescope, de ELT, die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van ESO, de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) en de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan, in samenwerking met de Republiek Chili. ALMA wordt gefinancierd door ESO (namens haar lidstaten), door de NSF in samenwerking met de National Research Council of Canada (NRC) en de National Science Council of Taiwan (NSC), en door NINS in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan en het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). De bouw en het beheer van ALMA worden geleid door ESO (namens haar lidstaten); door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat namens Noord-Amerika wordt bestuurd door de Associated Universities, Inc. (AUI), en namens Oost-Azië door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).
