Hallazgos en la atmósfera de Júpiter

Cuando Júpiter está en el cielo nocturno es fácil de reconocer a simple vista. Para empezar, no titila; es uno de los métodos para diferenciar un planeta de una estrella. Además, ese color marrón pardusco pálido lo hace fácilmente distinguible. Al verlo a través de un telescopio, la cosa cambia. Además de por la presencia de las lunas jovianas alineadas, destaca también por esas bandas rojizas y blanquecinas que discurren paralelas al ecuador. Observar la atmósfera de Júpiter es algo muy agradecido.

Hoy quiero hablarles de este planeta gigante y de dos investigaciones recientes que están relacionadas con la atmósfera de Júpiter. La primera de ellas ha sido realizada con datos obtenidos desde tierra con ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) y que nos han ayudado a medir las velocidades de los vientos en la estratosfera de Júpiter. La segunda ha sido gracias a la sonda Juno que nos ha hecho comprender el origen y la dinámica de las dawn storms, unas auroras polares que emiten grandes cantidades de energía en el ultravioleta.

Los vientos de la atmósfera de Júpiter

Las bandas ecuatoriales que se aprecian en Júpiter no son otra cosa que nubes arremolinadas de gases en movimiento. Los científicos las usan para estudiar la dinámica atmosférica joviana en su parte más alta, aunque nunca habían podido medir directamente los patrones de viento un poquito más abajo, en la estratosfera de la atmósfera de Júpiter.

Representación artística de los vientos en la estratosfera de Júpiter cerca del polo sur del planeta. Las líneas azules que representan la velocidad de estos vientos. Las líneas están superpuestas sobre una imagen real de Júpiter tomada por el instrumento JunoCam a bordo de la sonda Juno || Créditos: ESO/L. Calçada & NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS (Ampliar).

El impacto del Shoemaker-Levy 9

Tal vez algunos de ustedes recuerden que en 1994 un cometa impactó en Júpiter. Se llamaba Shoemaker-Levy 9. Al impactar se liberaron nuevas moléculas en la estratosfera joviana. Entre ellas estaba el cianuro de hidrógeno (Matthews, 1997), un compuesto que se puede rastrear. Como se mueven a la velocidad del viento, sería un buen método para tomar medidas y ver si se ajustan a los modelos teóricos.

¿Qué predecían estos modelos? Se sabe que el viento sopla de manera intensa cerca de los polos en zonas superiores la estratosfera de la atmósfera de Júpiter. Pese a ello, los modelos apuntaban a que las velocidades de los vientos se irían reduciendo conforme se profundizaba en el planeta. Incluso algunos de ellos afirmaban que en la misma estratosfera habrían desaparecido tales vientos.

Secuencia de imágenes tomadas con el telescopio MPG/ESO de 2,2 metros y el instrumento IRAC, que muestra el impacto del cometa Shoemaker-Levy 9 contra Júpiter en julio de 1994. Crédito: ESO (Ampliar).

El efecto Doppler para calcular la velocidad del viento

Para ver si los modelos teóricos estaban en lo cierto, un equipo de científicos del LAB (Laboratoire d’Astrophysique de Burdeaux) en Francia dirigido por el investigador Thibault Cavalié se puso manos a la obra para rastrear el cianuro de hidrógeno. Así, se podrían ofrecer respuestas sobre la velocidad de los vientos en la estratosfera. Para ello utilizaron 42 de las 66 antenas de ALMA.

El objetivo pretendía medir el efecto Doppler en la radiación emitida por el cianuro de hidrógeno. Al saber en qué frecuencia emite esta molécula, midiendo el desplazamiento en frecuencia que ha sufrido debido a su movimiento ofrecerá el resultado de la velocidad a la que se desplazan. Por extensión, sabremos la velocidad de los vientos estratosféricos de la atmósfera de Júpiter.

Antenas de ALMA en una imagen de larga exposición donde se aprecian las dos Nubes de Magallanes || Créditos: ESO/C. Malin (Ampliar).

«Pudimos deducir la velocidad de los vientos de manera muy similar a como se puede calcular la velocidad de un tren debido el cambio en la frecuencia de su silbido», explica Vincent Hue, coautor del estudio (Cavalié, 2021) e investigador en el Southwest Research Institute (Estados Unidos). Los resultados, que les expongo a continuación, fueron espectaculares y rompieron las predicciones de los modelos teóricos.

Velocidades de los vientos en la atmósfera de Júpiter

«El resultado más espectacular es la presencia de fuertes jets con velocidades de hasta 400 m/s bajo las auroras, cerca de los polos», explica Cavalié. Esa velocidad equivale a unos 1 450 Km/h, más del doble que las alcanzadas en la Gran Mancha Roja y más del triple que las velocidades de los mayores tornados de la Tierra. Y como pueden ver, estos resultados rompen por completo con la predicción de los modelos, que indicaban que apenas habría vientos en la estratosfera.

Además, el equipo de Cavalié también utilizó ALMA para medir por primera vez de manera directa la velocidad de los vientos en el ecuador de Júpiter. Los resultados indican que soplan a una velocidad de unos 600 Km/h, la mitad de las alcanzadas cerca de los polos. Es algo que no deja de resultar paradójico porque en rotación, Júpiter gira más rápido en el ecuador que en los polos.

La revelación de las dawn storms

Volvamos de nuevo a 1994, el año en el que el cometa Shoemaker-Levy 9 impactó en la atmósfera de Júpiter. Ese mismo año, el instrumento FOC (Faint Object Camera) a bordo del Hubble descubrió las denominadas dawn storms o tormentas del amanecer que surgen en las zonas polares de Júpiter (Gérard, 1994). Desde entonces solo habían sido observadas por observatorios basados en tierra o por telescopios en órbita terrestre. Por ello, solo habían podido ser vistas en la cara diurna del planeta sin ver lo que ocurría en la nocturna.

Un nuevo punto de vista en la atmósfera de Júpiter

Pero claro, ahora contamos con la ventaja de que en órbita al planeta gigante tenemos a la sonda Juno y podemos analizar Júpiter desde otro punto de vista. Concretamente, el instrumento UVS (Ultraviolet Spectrograph) a bordo de esta sonda ha mostrado por primera vez el nacimiento de estas dawn storms.

Imagen de Júpiter tomada con luz infrarroja en la noche del 17 de agosto de 2008 con el prototipo de instrumento MAD (Multi-Conjugate Adaptive Optics Demonstrator), instalado en el VLT de ESO. Se aprecia como cerca de los polos del planeta se genera una neblina estratosférica (regiones en azul claro) por interacciones con partículas atrapadas en el intenso campo magnético de Júpiter || Créditos: ESO/F. Marchis, M. Wong, E. Marchetti, P. Amico, S. Tordo (Ampliar).

Los investigadores han podido ver cómo se originan desde la zona nocturna de ambas zonas polares y al ir entrando en el amanecer van aumentando su brillo. Así lo explican en su estudio (Bonfond, 2021). Esto hace que formen unas auroras polares que resultan espectaculares al ser observadas en el ultravioleta. Ahí se vuelven más luminosas en el ultravioleta y emiten cientos e incluso miles de de millones de julios cada segundo. En contexto, son al menos diez veces más energéticas que una aurora polar típica joviana.

Similitudes entre la Tierra y Júpiter

«Los datos de Juno son un verdadero cambio de juego que nos permite comprender mejor lo que está sucediendo en el lado nocturno, donde nacen las dawn storms«, explica dijo Bertrand Bonfond, autor principal del artículo y científico en la Universidad de Lieja (Bélgica). «Pudimos apreciar que son muy similares a un tipo de auroras terrestres llamadas subtormentas», afirma Zhonghua Yao, coautor del estudio y también investigador en la Universidad de Lieja.

Estas subtormentas terrestres a las que hace refrencia Yao son el resultado de breves perturbaciones en la magnetosfera de la Tierra que liberan energía en la parte superior de la ionosfera. Sorprendentemente existe una gran similitud entre éstas y las dawn storms jovianas a pesar de que su origen es radicalmente distinto.

Distintas orígenes, mismos efectos

En la Tierra, la magnetosfera interacciona con el viento solar para generar esa ionización. Por otro lado, la magnetosfera de Júpiter está poblada principalmente por partículas que escapan de la luna volcánica Ío y que posteriormente quedan ionizadas.

Ilustración que muestra la similitud entre las auroras polares en Júpiter y en la Tierra || Créditos: NASA/JPL-Caltech/SwRI/UVS/STScI/MODIS/WIC/IMAGE/ULiège (Ampliar).

Estos nuevos hallazgos en Júpiter permitirán a los científicos estudiar más a fondo las diferencias y similitudes que impulsan la formación de auroras. De este modo proporcionarán una mejor comprensión sobre el origen de estos fenómenos tanto en nuestro propio planeta como en otros.

Artículos científicos

Bonfond, B., Yao, Z. H., Gladstone, G. R., Grodent, D., Gérard, J.‐C., Matar, J., et al. (2021). Are dawn storms Jupiter’s auroral substorms? AGU Advances2, e2020AV000275. DOI: 10.1029/2020AV000275 (Ver).

Cavalié, T., Benmahi, B., Hue, V., et al. (2021). First direct measurement of auroral and equatorial jets in the stratosphere of Jupiter. Astronomy & Astrophysics, 647, L8. DOI: 10.1051/0004-6361/202140330 (PDF) (Ver).

Gérard, J. C., Grodent, D., Dols, V., Prangé, R., Waite, J. H., Gladstone, G. R., et al. (1994). A remarkable auroral event on Jupiter observed in the ultraviolet with the Hubble Space Telescope. Science266 (5191), pp. 1675 – 1678. DOI: 10.1126/science.266.5191.1675 (Ver).

Matthews, C.N. (1997). Hydrogen cyanide polymers from the impact of comet P/Shoemaker-Levy 9 on Jupiter. Advances in Space Research, 19, iss. 7, pp. 1087 – 1091. DOI: 10.1016/S0273-1177(97)00357-8 (Ver).

Referencias

  • ESO Braces for the Impact – Shoemaker-Levy 9/Jupiter collision update. eso9410 – Science Release (1994) (Ver).
  • NASA’s Juno Reveals Dark Origins of One of Jupiter’s Grand Light Shows. NASA Solar System News (2021) (Ver).
  • Por primera vez, miden potentes vientos estratosféricos en Júpiter. eso2104es – Comunicado científico (Ver).
  • Powerful stratospheric winds measured on Jupiter for the first time. eso2104 – Science Release (2021) (Ver).

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