TELESCOPIOS Y NAVES ESPACIALES UNEN FUERZAS PARA SONDEAR PROFUNDAMENTE EN LA ATMÓSFERA DE JÚPITER

La Gran Mancha Roja de Júpiter fotografiada por el el Telescopio Espacial Hubble.
 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.
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Crédito: NASA / ESA / STSCI.

Resumen:

HUBBLE Y GEMINI OBSERVAN DESDE LEJOS, CAPTURANDO VISTAS GLOBALES DE ALTA RESOLUCIÓN DE JÚPITER QUE SON CLAVE PARA INTERPRETAR LAS OBSERVACIONES DE JUNO DEL PLANETA.

Con tormentas eléctricas que se elevan a cuarenta millas (64 kilómetros) de altura y se extienden una cantidad igual a la mitad del ancho de un continente, vientos huracanados en enormes tormentas que se desatan durante siglos, y rayos tres veces más poderosos que los super rayos más fuertes de la Tierra, Júpiter, el rey de los planetas, ha demostrado ser un homónimo más que digno al supremo dios romano del cielo y el trueno.

A pesar de más de 400 años de observaciones científicas, muchos detalles de la atmósfera turbulenta y cambiante del gigante gaseoso han permanecido esquivos. Ahora, gracias al trabajo en equipo del Telescopio Espacial Hubble, el Observatorio Gemini y la nave espacial Juno, los científicos pueden investigar profundamente los sistemas de tormentas, investigar fuentes de rayos, mapear vórtices ciclónicos y desentrañar la naturaleza de las características enigmáticas dentro del Gran mancha roja.

Esta colaboración única permite a los investigadores monitorear el clima de Júpiter y estimar la cantidad de agua en la atmósfera, brindando una idea de cómo funciona Júpiter hoy en día, así como de cómo él y los otros planetas de nuestro Sistema Solar se formaron más de 4,5 mil millones de años atrás.

Telescopio Espacial Hubble.
Crédito: NASA / ESA.

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 500 millones de millas de distancia en el planeta gigante Júpiter.

El telescopio Gemini Norte, Frederick C Gillett, en Maunakea, Hawái, EE. UU., Altitud 4,213 m (13,822 pies).
El Observatorio Gemini consta de telescopios ópticos / infrarrojos gemelos de 8,1 metros de diámetro ubicados en dos de los mejores sitios de observación del planeta. Desde sus ubicaciones en las montañas de Hawai y Chile, los telescopios del Observatorio Gemini pueden acceder colectivamente a todo el cielo. Ver video.
Crédito imagen: m3ing.com.

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 estrecha vistas desde la órbita de Juno sobre el planeta monstruo, 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.

Radio «Show de luces»

Las constantes tormentas de Júpiter son gigantescas en comparación con las de la Tierra, con tormentas eléctricas que alcanzan 40 millas desde la base hasta la parte superior, cinco veces más altas que las tormentas eléctricas típicas en la Tierra, y relámpagos poderosos 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 sondeando 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 .

Imagen artística de la sonda espacial Juno al orbitar Júpiter. La nave espacial Juno, que entró con éxito en la órbita de Júpiter el 4 de julio de 2016, sondea por primera vez debajo de la densa cubierta de nubes para responder preguntas sobre el gigante gaseoso y los orígenes de nuestro Sistema Solar.
Crédito: NASA / JPL – Caltech.

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 qué tan gruesas son las nubes y qué tan profundo estamos viendo dentro de las nubes, «Amy Simon explicó.

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 agua profundas y donde el aire húmedo se eleva para formar altas torres convectivas similares a las nubes de cumulonimbos en la Tierra. Más información.
Créditos: NASA , ESA, MH Wong (UC Berkeley), A. James y MW Carruthers ( STScI ) y S. Brown (JPL).

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 claras presumiblemente causadas por la afluencia de aire más seco fuera de las torres convectivas.

Esta ilustración de relámpagos, torres convectivas (nubes de tormenta), nubes de aguas profundas y claros en la atmósfera de Júpiter se basa en datos recopilados por la nave espacial Juno, el telescopio espacial Hubble y el Observatorio Gemini. 
Juno detecta señales de radio generadas por descargas de rayos. 
Debido a que las ondas de radio pueden atravesar todas las capas de nubes de Júpiter, Juno puede detectar relámpagos en nubes profundas, así como relámpagos en el lado del día del planeta. Más información.
Créditos: NASAESA y MH Wong (UC Berkeley), A. James y MW Carruthers ( STScI).

Los datos del Hubble muestran la altura de las gruesas nubes en las torres convectivas, así como la profundidad de las nubes de agua 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 agua 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. 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 agua 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 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.

Al ver 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 y las misiones anteriores a Júpiter revelaron características oscuras dentro de la Gran Mancha Roja que aparecen, desaparecen y cambian de forma con el tiempo. De las imágenes individuales no estaba claro si estos son causados ​​por algún material misterioso 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.

Estas imágenes de la Gran Mancha Roja de Júpiter se hicieron utilizando 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 que las características oscuras En la Gran Mancha Roja hay agujeros en las nubes en lugar de masas de material oscuro.
Ver explicación de cada imagen .
Créditos: NASAESA y MH Wong (UC Berkeley) y su equipo.

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 Gémini.

«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».

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 para 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 de 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 (STScI) 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 Agencia Espacial Europea (ESA). 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, Maryland, 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, DC. AURA opera el Observatorio Gemini para la asociación internacional Gemini, incluidos Estados Unidos, Canadá, Chile, Argentina, Brasil y la República de Corea. 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

Fuente: Hubblesite.org.

Artículo original: «TELESCOPES AND SPACECRAFT JOIN FORCES TO PROBE DEEP INTO JUPITER’S ATMOSPHERE«. NASAESA, and M.H. Wong (UC Berkeley) and team. May 7, 2020.

Material relacionado:

Otras presentaciones de la noticia:

Los papers:

El artículo científico de MH Wong et al. : High-resolution UV/Optical/IR Imaging of Jupiter in 2016–2019.

El artículo científico por S. Brown et al. (Nature, June 2018): Prevalent lightning sferics at 600 megahertz near Jupiter’s poles.

Artículos sobre la atmósfera y las nubes de Júpiter:


Agrandar ImagenUna ilustración de «convección húmeda» en la atmósfera de Júpiter muestra una columna ascendente que se origina a unos 80 kilómetros debajo de las nubes, donde la presión es cinco veces mayor que en la Tierra (5 bar), y se eleva a través de regiones donde el agua se condensa, se forma hidrosulfuro de amonio y el amoníaco se congela como hielo, justo debajo del punto más frío de la atmósfera, la tropopausa.
Crédito: Adaptado de la ilustración de Leigh Fletcher, Universidad de Leicester.

Un estudio anterior (2016) también en longitud de onda de radio, en el que el mismo equipo de investigadores de UC Berkeley midió las emisiones de radio de la atmósfera de Júpiter en bandas de longitud de onda donde las nubes son transparentes, les permitió ver hasta 100 kilómetros (60 millas) debajo de las nubes, una región en gran parte inexplorada donde se forman las nubes:

La gran mancha roja del planeta gigante es el óvalo de color naranja que es tan grande como la Tierra. Distintas bandas paralelas de nubes turbulentas dominan nuestra vista sobre la profunda atmósfera de hidrógeno / helio de Júpiter. Las coloridas bandas de nubes están confinadas por corrientes de chorro que soplan en direcciones opuestas en diferentes latitudes. Una cadena característica de anticiclones de forma ovalada blanca aparece a lo largo de una banda de latitud en el hemisferio sur del planeta.
Créditos: NASA, ESA, A. Simon (Centro de Vuelo Espacial Goddard), MH Wong (Universidad de California, Berkeley) y L. Hustak (STScI.)

Un análisis de las características superficiales de la atmósfera de Júpiter a partir de una imagen obtenida por el telescopio Hubble que se tomó en luz visible como parte del programa OPAL (este programa proporciona vistas globales anuales tomadas por el Hubble de los planetas exteriores para buscar cambios en sus tormentas, vientos y nubes) se encuentra en el siguiente artículo:

Esta animación lleva al espectador a un vuelo simulado hacia y desde la atmósfera superior de Júpiter en la ubicación de la Gran Mancha Roja. Fue creado combinando una imagen de la cámara JunoCam en la nave espacial Juno de la NASA con una animación generada por computadora. La perspectiva comienza a unas 2.000 millas (3.000 kilómetros) por encima de las nubes del hemisferio sur del planeta. La barra en el extremo izquierdo indica la altitud durante el descenso rápido; un segundo medidor al lado muestra el aumento dramático en la temperatura que ocurre a medida que la perspectiva se sumerge más profundamente hacia abajo. Las nubes se vuelven carmesís cuando la perspectiva pasa a través de la Gran Mancha Roja. Finalmente, la vista asciende fuera del lugar.
 Créditos: NASA / JPL.

Un interesante estudio, que observando a través de la Gran Mancha roja investiga la presencia de diferentes capas de nubes en la atmósfera superior de Júpiter y en particular la abundancia de agua es:

Júpiter fotografiado por COMICS instrumento instalado en el telescopio Subaru el 18 de mayo de 2017. Tomada a una longitud de onda de 8,8 micrómetros, esta imagen es útil para obtener la temperatura de la troposfera de Júpiter y el grosor de las nubes de amoníaco. 
Además, también se muestra la estructura detallada de la gran mancha roja y sus alrededores, que «Juno» observará .  Más información.
Crédito: Observatorio Nacional / Laboratorio de Propulsión a Chorro
.

Un trabajo importante sobre Júpiter en el infrarrojo se había llevado a cabo en el 2016 desde tierra con el Telescopio Subaru, pero en un rango de longitudes de onda diferentes al del estudio del párrafo anterior. Los resultados están en el siguiente artículo  y además en el apartado «Material relacionado» del mismo, se da toda la información sobre el infrarrojo, Júpiter, su atmósfera y atmósferas planetarias, la misión JUNO, la importante participación de los aficionados contribuyendo a la misión, asi como libros y videos de charlas y conferencias públicas sobre estos temas:

Júpiter y los aficionados:

 Un equipo internacional de astrónomos profesionales y aficionados, han proporcionado un magnífico conjunto de datos durante los últimos ocho meses, antes del arribo de Juno a Júpiter. Junto con los nuevos resultados de Juno, la serie de datos del instrumento VISIR en el VLT, en particular, permitirá a los investigadores caracterizar la estructura térmica global, la cobertura de nubes y la distribución de una variedad de gases presentes en Júpiter:

Una mención especial merece la tormenta más importante del Sistema Solar: La Gran Mancha Roja (GMR). El siguiente artículo muestra las fotografías y primeros resultados del primer sobrevuelo de la nave JUNO sobre la GMR y contiene además en el apartado «Material relacionado» una importante selección de recursos sobre el tema:

Una nueva  imagen , tomada por JunoCam, la cámara de alta resolución colocada a bordo de la nave espacial Juno de la NASA, retrata una gran tormenta ovalada, conocida como «la  barcaza marrón»  en la banda ecuatorial sur de Júpiter.
Crédito: NASA / JPL – Calthec.

Otra importante tormenta en Júpiter, aunque menos conocida por el público es la llamada «Barcaza Marrón» presentada en el siguiente artículo que contiene además en el apartado «Material relacionado» una aplicación para procesar las imágenes de la Juno Cam y también una referencia al WorkShop sobre la Colaboración Pro- Am en la misión Juno, que tuvo lugar en Mayo de 2018 durante el «Juno Europlanet Meeting 2018» organizado por la Royal Astronomical Society de Gran Bretaña (RAS GB):

Para aquellos aficionados que quieran seguir paso a paso, cómo la Gran Mancha Roja se está modificando con el tiempo, recomendamos vistar el siguiente artículo:

El astrofotógrafo de Texas Ethan Chappel capturó esta increíble imagen el 7 de Agosto de 2019, a las 4:07 UTC, mientras filmaba el planeta y dijo que el evento en el Cinturón Ecuatorial del Sur (South Ecuatorial Bands, SEBs) de Júpiter «se ve terriblemente como un destello de impacto». Se puede ver un punto brillante que aparece de la nada antes de que se desvanezca rápidamente.
Crédito: Ethan Chappel

Un observador de planetas consiguió el disparo de su vida después de capturar imágenes extremadamente raras de un misterioso destello de luz en Júpiter, que pudo haber sido una elusiva explosión de meteorito:

La  Gran Mancha Roja haciendo su paso por el meridiano que une los polos norte y sur del disco de  Júpiter. También se ve el tránsito de Io y su sombra sobre el disco de Júpiter. Comparación gráfica que muestra cómo la Gran Mancha Roja de Júpiter se ha reducido en los últimos 125 años usando fotografías tomadas en 1890. FotoMontaje realizado por el astrónomo amateur Inglés Damian Peach. El artículo sobre la disminución de la GRS, y los detalles sobre cómo se ha hecho el montaje  puede verlos aquí. 
         Crédito: Damian Peach.

Curiosidades:

a)_ ¿Qué sucede en las atmósferas de los Júpiters Calientes ?

Esta ilustración muestra una estrella fría, llamada W1906 + 40, marcada por una tormenta furiosa cerca de uno de sus polos. Se cree que la tormenta es similar a la Gran Mancha Roja en Júpiter. Los científicos lo descubrieron utilizando los telescopios espaciales Kepler y Spitzer de la NASA. Más información.
Crédito: NASA / JPL – Calthec.

b)_ Grandes tormentas como la Gran Mancha Roja en Júpiter, también se han detectado en enanas marrones:

c)_ A medida que los planetas se forman en el remolino de gas y polvo alrededor de las estrellas jóvenes, parece que hay un punto dulce donde se congregan la mayoría de los gigantes gaseosos, similares a Júpiter, centrados alrededor de la órbita donde Júpiter se encuentra hoy en nuestro propio Sistema Solar:

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