James Webb Space Telescope ziet Jupiter-manen in een nieuw licht
Met zijn gevoelige infraroodcamera's en hoge resolutie spectrometer onthult de James Webb Space Telescope (JWST) nieuwe geheimen over de Galileïsche satellieten van Jupiter, met name Ganymedes, de grootste maan, en Io, de meest vulkanisch actieve.
Bij de foto: Een spectroscopische kaart van Ganymedes (links) afgeleid van JWST-metingen toont lichtabsorptie rond de polen die kenmerkend zijn voor het molecuul waterstofperoxide. Een JWST infrarood opname van Io (rechts) toont hete vulkaanuitbarstingen bij Kanehekili Fluctus (midden) en Loki Patera (rechts). De cirkels schetsen de oppervlakken van de twee manen. Foto: Ganymedes: Samantha Trumbo, Cornell; Io: Imke de Pater, UC Berkeley
In twee afzonderlijke publicaties rapporteren astronomen die deel uitmaken van het Early Release Science-programma van JWST de eerste detectie van waterstofperoxide op Ganymedes en zwavelhoudende dampen op Io, beide het resultaat van de dominante invloed van Jupiter.
"Dit laat zien dat we ongelooflijke wetenschap kunnen doen met de James Webb Space Telescope op objecten in het zonnestelsel, zelfs als het object echt heel helder is, zoals Jupiter, maar ook als je naar zeer zwakke dingen naast Jupiter kijkt," zei Imke De Pater, professor emerita van astronomie en aard- en planetaire wetenschap aan de Universiteit van Californië, Berkeley.
De Pater en Thierry Fouchet van het Observatorium van Parijs zijn co-hoofdonderzoekers voor het Early Release Science-observatieteam van het zonnestelsel, één van de 13 teams die vroege toegang tot de telescoop kregen.
Samantha Trumbo, een 51 Pegasi b postdoctorale fellow aan de Cornell University, leidde de studie van Jupiter's satelliet Ganymedes, die op 21 juli werd gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.
Met behulp van metingen vastgelegd door de nabij-infraroodspectrometer (NIRSpec) op JWST, detecteerde het team de absorptie van licht door waterstofperoxide - H2O2 - rond de noord- en zuidpool van de maan, een resultaat van geladen deeltjes rond Jupiter en Ganymedes die het ijs raken dat de maan bedekt.
"JWST onthult de aanwezigheid van waterstofperoxide aan de polen van Ganymedes en toont voor het eerst aan dat geladen deeltjes die langs het magnetisch veld van Ganymedes worden geleid, bij voorkeur de oppervlaktechemie van zijn poolkappen veranderen," zei Trumbo.
Bij de foto: Close-upfoto's van Ganymedes en Io genomen door NASA's Juno-ruimtevaartuig in 1997 terwijl het in een baan om Jupiter draaide. Foto: Afbeelding credit: NASA / JPL / USGS
De astronomen beweren dat het peroxide wordt geproduceerd door geladen deeltjes die het bevroren waterijs rond de polen raken en de watermoleculen in fragmenten breken - een proces dat radiolyse wordt genoemd - die vervolgens recombineren om H2O2 te vormen.
Ze vermoedden dat radiolyse voornamelijk rond de polen op Ganymedes zou plaatsvinden, omdat het, in tegenstelling tot alle andere manen in ons zonnestelsel, een magnetisch veld heeft dat geladen deeltjes naar de polen leidt.
"Net zoals het magnetisch veld van de aarde geladen deeltjes van de zon naar de hoogste breedtegraden leidt, waardoor het poollicht ontstaat, doet het magnetische veld van Ganymedes hetzelfde met geladen deeltjes uit de magnetosfeer van Jupiter," voegde ze eraan toe. "Deze deeltjes resulteren niet alleen in poollicht bij Ganymedes, maar ze hebben ook invloed op het ijzige oppervlak."
Trumbo en Michael Brown, hoogleraar planetaire astronomie aan Caltech, waar Trumbo onlangs promoveerde, hadden eerder waterstofperoxide bestudeerd op Europa, een van de vier Galileïsche satellieten van Jupiter. Op Europa was het peroxide echter detecteerbaar over een groot deel van het oppervlak, misschien deels omdat het geen magnetisch veld heeft om het oppervlak te beschermen tegen de snel bewegende deeltjes die rond Jupiter ritselen.
"Dit is waarschijnlijk een heel belangrijk en wijdverspreid proces," zei Trumbo. "Deze waarnemingen van Ganymedes bieden een belangrijk venster om te begrijpen hoe dergelijke waterradiolyse de chemie op ijzige lichamen in het buitenste zonnestelsel zou kunnen aandrijven, inclusief op het naburige Europa en Callisto (de vierde Galileïsche maan)."
"Het helpt om echt te begrijpen hoe deze zogenaamde radiolyse werkt en dat het inderdaad werkt zoals mensen verwachtten, op basis van laboratoriumexperimenten op aarde," zei de Pater.
In een tweede artikel, geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift JGR: Planets, een publicatie van de American Geophysical Union, rapporteren de Pater en haar collega's nieuwe Webb-waarnemingen van Io die verschillende actieve uitbarstingen laten zien, waaronder een opheldering bij een vulkanisch complex genaamd Loki Patera en een uitzonderlijk heldere uitbarsting bij Kanehekili Fluctus.
Omdat Io de enige vulkanisch actieve maan in het zonnestelsel is - jupiter's gravitationele duw en trek verwarmt het - geven studies als deze planetaire wetenschappers een ander perspectief dan kan worden verkregen door vulkanen op aarde te bestuderen.
Bij de afbeelding: JWST-metingen verkregen in november 2022 bedekt met een kaart van het oppervlak van Io. Thermische infraroodmetingen (rechts) tonen een verheldering van Kanekehili Fluctus, een groot en, tijdens de observatieperiode, zeer actief vulkanisch gebied op Io. Spectrale metingen (links) tonen verboden infraroodemissies van zwavelmonoxide gecentreerd op het vulkanische gebied. Het toeval bevestigt een theorie dat SO wordt geproduceerd in vulkanische openingen en in de zeer dunne atmosfeer van Io lang genoeg in de buurt blijft om de verboden lijn uit te zenden die normaal gesproken zou worden onderdrukt door botsingen met andere moleculen in de atmosfeer. Afbeelding: Chris Moeckel en Imke de Pater, UC Berkeley; Io-kaart met dank aan USGS.
Voor het eerst konden de onderzoekers een vulkaanuitbarsting - bij Kanehekili Fluctus - koppelen aan een specifiek emissiekenmerk geproduceerd door zogenaamde "verboden" overgangen van het gas zwavelmonoxide (SO).
Zwaveldioxide (SO2) is het hoofdbestanddeel van de atmosfeer van Io, afkomstig van sublimatie van SO2-ijs, evenals voortdurende vulkaanuitbarstingen, vergelijkbaar met de productie van SO2 door vulkanen op aarde. De vulkanen produceren ook SO, wat veel moeilijker te detecteren is dan SO2.
Met name de verboden SO-emissielijn is erg zwak omdat SO in zulke lage concentraties is en slechts korte tijd wordt geproduceerd nadat hij is uitgestoren. Bovendien kunnen de waarnemingen alleen worden gedaan als Io in de schaduw van Jupiter staat, wanneer het gemakkelijker is om de gloeiende SO-gassen te zien. Wanneer Io zich in de schaduw van Jupiter bevindt, bevriest het SO2-gas in de atmosfeer van Io op het oppervlak, waardoor alleen SO en nieuw uitgestoten vulkanisch SO2-gas in de atmosfeer achterblijft.
"Deze waarnemingen met Webb laten voor het eerst zien dat deze uitgestoten SO daadwerkelijk afkomstig was van een vulkaan," zei De Pater.
De Pater had eerdere waarnemingen van Io gedaan met de Keck-telescoop op Hawaï en vond lage niveaus van de verboden SO-emissie over een groot deel van de maan, maar ze was niet in staat om SO-hotspots specifiek aan een actieve vulkaan te koppelen. Ze vermoedt dat veel van deze SO, evenals de SO2 die tijdens een eclips wordt gezien, afkomstig is van zogenaamde stealth-vulkanen, die gas uitbarsten maar geen stof, waardoor ze zichtbaar zouden worden.
Twintig jaar geleden stelden de Pater en haar team voor dat deze opgewonden toestand van SO alleen kon worden geproduceerd in hete vulkanische openingen, en dat de ijle atmosfeer deze toestand lang genoeg liet blijven hangen - een paar seconden - om de verboden lijn uit te zenden.
Normaal gesproken worden aangeslagen toestanden die deze emissie produceren snel gedempt door botsingen met andere moleculen in de atmosfeer en nooit gezien. Alleen in delen van de atmosfeer waar het gas schaars is, duren dergelijke aangeslagen toestanden lang genoeg om verboden lijnen uit te zenden. De groene en rode tinten van de aurora's van de aarde worden geproduceerd door verboden overgangen van zuurstof in de ijle bovenste atmosfeer.
"Het verband tussen SO en vulkanen sluit aan bij een hypothese die we in 2002 hadden om uit te leggen hoe we SO-emissie überhaupt konden zien," zei ze.
"De enige manier waarop we deze emissie kunnen verklaren, is als de SO wordt geëxciteerd in de vulkanische opening bij een temperatuur van 1500 Kelvin of zo, en dat het in deze aangeslagen toestand naar buiten komt, zijn foton binnen een paar seconden verliest, en dat is de emissie die we zien. Dus deze waarnemingen zijn de eerste die daadwerkelijk laten zien dat dit het meest waarschijnlijke mechanisme is van waarom we dat ZO zien."
Webb zal Io in augustus opnieuw observeren met NIRSpec. De komende waarneming en de eerdere, die plaatsvond op 15 november 2022, werden genomen toen Io in de schaduw van Jupiter stond, zodat het licht dat door de planeet werd gereflecteerd het licht van Io niet overweldigde.
De Pater merkte ook op dat de opheldering van Loki Patera consistent was met de waargenomen periode van uitbarstingen bij de vulkaan, die gemiddeld ongeveer elke 500 aardse dagen oplichten, waarbij de opheldering een paar maanden duurde.
Ze stelde dit vast omdat het niet helder was toen ze de maan met Keck observeerde in augustus en september 2022, noch was het helder toen een andere astronoom het van april tot juli 2022 waarnam. Alleen de JWST legde het evenement vast.
"De Webb-waarnemingen toonden aan dat er daadwerkelijk uitbarstingen waren begonnen en dat het veel helderder was dan wat we in september hadden gezien," zei ze.
Hoewel De Pater zich voornamelijk richt op het Joviaanse systeem - de ringen, kleine manen en de grotere manen Ganymedes en Io - gebruiken zij en andere leden van het vroege wetenschappelijke team van ongeveer 80 astronomen JWST ook om de planetaire systemen van Saturnus, Uranus en Neptunus te bestuderen, niet alleen Jupiter.
