Telescopios y naves espaciales unen fuerzas para sondear profundamente en la atmósfera de Júpiter.

El telescopio espacial Hubble de la NASA y el Observatorio Gemini con base en tierra en Hawai, se han asociado con la nave espacial Juno para investigar las tormentas más poderosas del Sistema Solar, que tienen lugar a más de 800 millones de kilómetros de distancia, en el planeta gigante Júpiter.

Un equipo de investigadores dirigido por Michael Wong en la Universidad de California, Berkeley, y que incluye a Amy Simon del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, e Imke de Pater también de UC Berkeley, están combinando observaciones de longitud de onda múltiple de Hubble y Gemini con un acercamiento de vistas desde la órbita de Juno sobre el gigante planeta, obteniendo nuevos conocimientos sobre el clima turbulento en este mundo distante.

“Queremos saber cómo funciona la atmósfera de Júpiter”, dijo Wong. Aquí es donde entra en juego el trabajo en equipo de Juno, Hubble y Gemini.


Este gráfico muestra observaciones e interpretaciones de estructuras de nubes y circulación atmosférica en Júpiter desde la nave espacial Juno, el telescopio espacial Hubble y el Observatorio Gemini. Al combinar los datos de Juno, Hubble y Gemini, los investigadores pueden ver que los relámpagos se agrupan en regiones turbulentas donde hay nubes de aguas profundas y donde el aire húmedo se eleva para formar torres convectivas altas similares a las nubes de cumulonimbos (nubes de tormenta) en la Tierra. La ilustración inferior de relámpagos, torres convectivas, nubes de aguas profundas y claros en la atmósfera de Júpiter se basa en datos de Juno, Hubble y Gemini, y corresponde al transecto (línea blanca en ángulo) indicado en los detalles del mapa de Hubble y Gemini. La combinación de observaciones se puede utilizar para mapear la estructura de la nube en tres dimensiones e inferir detalles de la circulación atmosférica. Se forman nubes gruesas e imponentes donde sube el aire húmedo (surgencia y convección activa). Se forman claros donde el aire más seco se hunde (bajando). Las nubes que se muestran se elevan cinco veces más que torres convectivas similares en la atmósfera relativamente poco profunda de la Tierra. La región ilustrada cubre un tramo horizontal un tercio mayor que el de los Estados Unidos continentales.
Créditos: NASA, ESA, M.H. Wong (UC Berkeley), A. James y M.W. Carruthers (STScI) y S. Brown (JPL).
Radio 'Show de luces'

Las constantes tormentas de Júpiter son gigantescas en comparación con las de la Tierra, con tormentas eléctricas que alcanzan 65 kilómetros desde la base hasta la cima, cinco veces más altas que las tormentas eléctricas típicas en la Tierra, y poderosos relámpagos hasta tres veces más enérgicos que los “superbolts” más grandes de la Tierra.

Al igual que los rayos en la Tierra, los rayos de Júpiter actúan como transmisores de radio, enviando ondas de radio y luz visible cuando destellan en el cielo.

Cada 53 días, Juno corre por debajo de los sistemas de tormentas detectando señales de radio conocidas como “sferics” y “whistlers”, que luego se pueden usar para mapear los rayos incluso en el lado del día del planeta o desde nubes profundas donde los destellos no son visibles de otra manera.

Coincidiendo con cada pase, Hubble y Gemini observan desde lejos, capturando vistas globales de alta resolución del planeta que son clave para interpretar las observaciones de primer plano de Juno. “El radiómetro de microondas de Juno sondea profundamente en la atmósfera del planeta al detectar ondas de radio de alta frecuencia que pueden penetrar a través de las gruesas capas de nubes. Los datos de Hubble y Gemini nos pueden decir cómo de gruesas son las nubes y qué profundidad estamos viendo dentro de las nubes”, Simon explicó.

Al mapear los relámpagos detectados por Juno en imágenes ópticas capturadas del planeta por Hubble y las imágenes infrarrojas térmicas capturadas al mismo tiempo por Gemini, el equipo de investigación ha podido demostrar que los brotes de rayos están asociados con una combinación tripartita de estructuras de nubes: nubes profundas hechas de agua, grandes torres convectivas causadas por la afluencia de aire húmedo (esencialmente nubes de tormenta jovianas) y regiones despejadas, presumiblemente causadas por la descarga de aire más seco fuera de las torres convectivas.

Los datos del Hubble muestran la altura de las gruesas nubes en las torres convectivas, así como la profundidad de las nubes de aguas profundas. Los datos de Gemini revelan claramente los claros en las nubes de alto nivel donde es posible echar un vistazo a las nubes de aguas profundas.

Wong cree que los rayos son comunes en un tipo de área turbulenta conocida como regiones filamentosas plegadas, lo que sugiere que se está produciendo convección húmeda en ellas. “Estos vórtices ciclónicos podrían ser chimeneas de energía interna, ayudando a liberar energía interna a través de la convección”, dijo. “No sucede en todas partes, pero algo acerca de estos ciclones parece facilitar la convección”.

La capacidad de correlacionar los rayos con las nubes de aguas profundas también brinda a los investigadores otra herramienta para estimar la cantidad de agua en la atmósfera de Júpiter, que es importante para comprender cómo se formaron Júpiter y los otros gigantes gaseosos y de hielo, y por lo tanto, cómo se formó el Sistema Solar en su conjunto.

Si bien se ha aprendido mucho sobre Júpiter en misiones espaciales anteriores, muchos de los detalles, incluida la cantidad de agua que hay en la atmósfera profunda, exactamente cómo fluye el calor desde el interior y qué causa ciertos colores y patrones en las nubes, siguen siendo un misterio. El resultado combinado proporciona información sobre la dinámica y la estructura tridimensional de la atmósfera.

Observando una mancha roja 'Jack-O-Lantern'

Con Hubble y Gemini observando a Júpiter con mayor frecuencia durante la misión Juno, los científicos también pueden estudiar cambios a corto plazo y características de corta duración como las de la Gran Mancha Roja.

Las imágenes de Juno, así como las misiones anteriores a Júpiter, revelaron características oscuras dentro de la Gran Mancha Roja que aparecen, desaparecen y cambian de forma con el tiempo. No quedó claro a partir de imágenes individuales si estos son causados ​​por algún misterioso material de color oscuro dentro de la capa de nubes altas, o si en cambio son agujeros en las nubes altas, ventanas en una capa más profunda y oscura debajo.

Ahora, con la capacidad de comparar imágenes de luz visible de Hubble con imágenes térmicas de infrarrojos de Gemini capturadas con pocas horas de diferencia, es posible responder la pregunta. Las regiones oscuras en luz visible son muy brillantes en infrarrojo, lo que indica que, de hecho, son agujeros en la capa de nubes. En las regiones libres de nubes, el calor del interior de Júpiter que se emite en forma de luz infrarroja, bloqueada por nubes de alto nivel, es libre de escapar al espacio y, por lo tanto, aparece brillante en las imágenes de Géminis.

“Es como una especie de farol”, dijo Wong. “Se ve una luz infrarroja brillante proveniente de áreas libres de nubes, pero donde hay nubes, es muy oscura en el infrarrojo”.


Créditos: NASA, ESA y M.H. Wong (UC Berkeley) y equipo

Las imágenes de arriba de la Gran Mancha Roja de Júpiter se hicieron usando datos recopilados por el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio Gemini el 1 de abril de 2018. Al combinar las observaciones capturadas casi al mismo tiempo de los dos observatorios diferentes, los astrónomos pudieron determinar esa oscuridad. Las características de la Gran Mancha Roja son agujeros en las nubes en lugar de masas de material oscuro.

Superior izquierda (vista panorámica) e inferior izquierda (detalle): la imagen de la luz solar del Hubble (longitudes de onda visibles) que se refleja en las nubes en la atmósfera de Júpiter, muestra rasgos oscuros dentro de la Gran Mancha Roja.

Arriba a la derecha: una imagen infrarroja térmica de Gemini de la misma área, muestra el calor emitido como energía infrarroja. Las nubes frías superpuestas aparecen como regiones oscuras, pero los claros en las nubes permiten que la emisión infrarroja brillante escape de las capas más cálidas por debajo.

Centro inferior: una imagen ultravioleta del Hubble muestra la luz solar dispersada por los peligros sobre la Gran Mancha Roja. La Gran Mancha Roja aparece roja en luz visible porque estos peligros absorben las longitudes de onda azules. Los datos del Hubble muestran que los peligros continúan absorbiéndose incluso a longitudes de onda ultravioleta más cortas.

Abajo a la derecha: un compuesto de longitud de onda múltiple de datos de Hubble y Gemini muestra luz visible en azul e infrarrojo térmico en rojo. Las observaciones combinadas muestran que las áreas que son brillantes en infrarrojo son claros o lugares donde hay menos cobertura de nubes que bloquean el calor del interior.

Las observaciones de Hubble y Gemini se hicieron para proporcionar un contexto de visión amplia para el 12° pase de Juno (Perijove 12).

Hubble y Gemini como rastreadores meteorológicos jovianos

Las imágenes regulares de Júpiter por Hubble y Gemini en apoyo de la misión Juno también están demostrando ser valiosas en estudios de muchos otros fenómenos climáticos, incluidos los cambios en los patrones del viento, las características de las ondas atmosféricas y la circulación de varios gases en la atmósfera.

Hubble y Gemini pueden monitorear el planeta en su conjunto, proporcionando mapas base en tiempo real en múltiples longitudes de onda como referencia para las mediciones de Juno, de la misma manera que los satélites meteorológicos que observan la Tierra proporcionan contexto para los cazadores de huracanes de alto vuelo de NOAA.

“Debido a que ahora tenemos rutinariamente estas vistas de alta resolución de un par de observatorios y longitudes de onda diferentes, estamos aprendiendo mucho más sobre el clima de Júpiter”, explicó Simon. “Este es nuestro equivalente a un satélite meteorológico. Finalmente podemos comenzar a observar los ciclos climáticos”.

Debido a que las observaciones de Hubble y Gemini son tan importantes para interpretar los datos de Juno, Wong y sus colegas Simon y Pater están haciendo que todos los datos procesados ​​sean fácilmente accesibles para otros investigadores a través de los Archivos Mikulski para telescopios espaciales (MAST) en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland.

“Lo importante es que hemos logrado recopilar este enorme conjunto de datos que respalda la misión de Juno. Hay tantas aplicaciones del conjunto de datos que ni siquiera podemos anticipar. Entonces, vamos a permitir que otras personas hagan ciencia sin esa barrera de tener que descubrir por sí mismos cómo procesar los datos “, dijo Wong.

Los resultados se publicaron en abril de 2020 en The Astrophysical Journal Supplement Series.

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore lleva a cabo operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en Washington, D.C. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, administra la misión Juno para el Southwest Research Institute en San Antonio, Texas. Juno es parte del Programa Nuevas Fronteras de la NASA, que se gestiona en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA.