Een foto van Jupiter genomen door Juno, met de kenmerkende donkere en lichtere banden. NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

Juno: de straalwinden op Jupiter gaan wel 3.000 kilometer diep

Het binnenste van de planeet Jupiter is even vreemd en turbulent als het oppervlak, zo blijkt uit metingen van de ruimtesonde Juno van de NASA. De enorm krachtige winden die de kenmerkende donkere en lichte banden en zones op de planeet veroorzaken, gaan wel 3.000 kilometer diep. De missie van Juno heeft ook duidelijk gemaakt dat onder die zone, de rest van de planeet zich gedraagt als een vast object, ook al bestaat het uit een enorm dicht mengsel van waterstof- en heliumgas.

De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA heeft de eerste studies gepubliceerd op basis van de waarnemingen die de ruimtesonde Juno heeft gemaakt van Jupiter. Juno is momenteel aan een reeks banen rond de grootste planeet in ons zonnestelsel bezig, en de gegevens die de sonde tot nu heeft doorgestuurd, hebben een aantal oude vragen beantwoord.

Zo was het al tientallen jaren een mysterie hoe diep de weerfenomenen die verantwoordelijk zijn voor de iconische lichte en donkere banden en zones op Jupiter, zich uitstrekken in het binnenste van de planeet. Die banden worden veroorzaakt door enorm krachtige winden,  straalstromen, die van west naar oost en van oost naar west blazen met snelheden tot 360 kilometer per uur.  De grote vraag was of die winden een oppervlakkig fenomeen zijn, of dat ze zich dieper in het binnenste uitstrekken en dus meer massa in beweging brengen. 

Het antwoord kwam van zeer nauwkeurige metingen van het zwaartekrachtveld van Jupiter. Een team van de NASA volgde de versnelling van de sonde Juno gedurende een dichte elliptische baan rond Jupiter, door de verandering in frequentie, bekend als het dopplereffect, op te volgen van de radiogolven die Juno terugstuurde naar de aarde.

Kleine anomalieën in deze signalen legden details bloot van de verdeling van de massa van Jupiter, maar het opvolgen van Juno op deze manier was geen klein bier. De onderzoekers moesten immers ook rekening houden met andere kleine versnellingen van Juno, waaronder ook de versnellingen die veroorzaakt werden door het absorberen en opnieuw uitstralen van het zonlicht. Ze klaarden deze klus door een gesofisticeerd model te gebruiken van de binnenkomende en uitgaande energie van het ruimtetuig. 

De metingen leverden een opmerkelijk resultaat op: een deel van het zwaartekrachtveld van Jupiter bleek geen noord-zuid symmetrie te vertonen, een merkwaardige waarneming voor een dergelijke snel draaiende - een dag op Jupiter duurt maar tien uur - gasreus. "De metingen van Juno van het zwaartekrachtveld van Jupiter wijzen op een noord-zuid asymmetrie, vergelijkbaar met de asymmetrie die gezien wordt in de zones en banden op Jupiter", zei Ricardo Iess, een van de onderzoekers van het Juno-team  van de Sapienza universiteit van Rome, en de belangrijkste auteur van de studie over het zwaartekrachtveld van Jupiter. 

Op een gasplaneet kan een dergelijke asymmetrie enkel komen van stromingen diep in de planeet, en op Jupiter zijn de zichtbare straalwinden die naar het oosten en het westen blazen, eveneens noord-zuid asymmetrisch. De enige manier waarop die winden een effect kunnen hebben op het zwaartekrachtveld van de planeet, is als ze relatief diep reiken, en een aanzienlijke hoeveelheid massa beïnvloeden. Hoe dieper de straalwinden reiken, hoe meer massa ze bevatten, wat leidt tot een sterker signaal in het zwaartekrachtveld.  De grootte van de asymmetrie in de zwaartekracht bepaalt hoe diep de straalwinden zich uitstrekken. 

Een andere foto van de banden en zones van Jupiter, genomen door Juno. NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt/Sean Dorán

Verrassing

Het resultaat was een verrassing voor het Juno-team omdat er uit bleek dat de laag van Jupiter waarin het weer zich afspeelt, meer massief was, en zich dieper uitstrekte, dan tot hiertoe gedacht werd. De "weerlaag" op Jupiter strekt zich uit tot 3.000 kilometer diep, ruwweg een twintigste van de straal van de planeet, en omvat ongeveer één procent van de massa van Jupiter, zo'n drie keer de massa van de aarde. 

"Ter vergelijking, de atmosfeer van de aarde omvat minder dan een miljoenste van de totale massa van de aarde", zei onderzoeker Yohai Kaspi. "Het feit dat Jupiter zo'n enorme regio kent die roteert in aparte oost-west banden, is absoluut een verrassing." Kaspi is een onderzoeker aan het Israëlische Weizmann Institute of Science, en de belangrijkste auteur van een van de studies over de diepe weerlaag van Jupiter. 

De kracht van de winden neemt langzaam af met de diepte, tot ze tot stilstand komen op 3.000 kilometer diepte, een punt waar de druk zo'n 100.000 keer de druk is van de atmosfeer op het aardoppervlak.

"Galileo zag de banden op Jupiter meer dan 400 jaar geleden", zo zei Kaspi op de website van de NASA. "Tot nu hadden we slechts een oppervlakkig begrip van hen, en waren we enkel in staat om de banden in verband te brengen met kenmerken van wolken langs de straalwinden op Jupiter. Nu, na de metingen van Juno van de zwaartekracht, weten we hoe diep de straalwinden zich uitstrekken, en wat hun structuur is onder de zichtbare wolken. Het is alsof we van een 2-D foto naar een 3-D versie in hoge definitie zijn gegaan."

"Een 50 jaar oud probleem is in wezen opgelost dankzij Juno - dat is echt iets om trots op te zijn", zei Tristan Guillot van de Université Côte d'Azur in Nice. Guillot is de hoofdauteur van een tweede studie over de diepte van het weersysteem op Jupiter.

De ontdekking is belangrijk om de aard van de krachtige straalwinden te begrijpen, en de mogelijke mechanismen die er achter zitten. In de toekomst kunnen dergelijke nauwkeurige metingen van het zwaartekrachtveld mogelijk gebruikt worden om de diepte te meten van enorme stormen op Jupiter zoals de  "grote rode vlek", een storm met een doormeter groter dan die van de aarde, die al sinds minstens 1830 op Jupiter woedt, of om de reactie waar te nemen van de planeet op de getijdenwerking van haar grote manen. 

De "grote rode vlek" op Jupiter, gefotografeerd door Juno in juli 2017. NASA/JPL-Caltech/MSSS/SwRI/Kevin M. Gill

Vast object

De nieuwe metingen beginnen ook een beeld te schetsen van de innerlijke structuur van Jupiter. Onder de diepte tot waar de winden doordringen, onder 3.000 kilometer van het oppervlak dus, roteert het binnenste van de planeet alsof het een vast lichaam is, ook al is het vloeibaar van aard.  

Als we zouden afdalen van het oppervlak naar het centrum, zouden we eerst een wolkenlaag tegenkomen van 99 procent waterstof en helium, met sporen van methaan en ammoniakgas. De dichtheid aan het oppervlak is zo'n 10 keer minder dan die van lucht, maar het gas wordt dichter en dichter naarmate we het centrum benaderen. Reeds na 10 procent van de afstand tot het centrum, wordt het gas zo dicht dat waterstof geïoniseerd raakt, en verandert in een metaalachtig waterstofgas met een dichtheid die die van water benadert. 

Na 20 procent van de afstand condenseert helium tot regen, en diep in het binnenste, waar de druk zo'n 10 miljoen keer hoger is dan de druk aan het aardoppervlak, vermoeden de onderzoekers dat het gas bestaat als een dichte soep, doorspikkeld met rotsen van zware metalen. 

"Er zou een kleine, harde, vaste kern kunnen zijn, heel heel diep, maar we denken dat het enkel dicht gas is, verrijkt met zware elementen... het is niet een vast lichaam dat je je kan voorstellen", zei onderzoeker Yohai Kaspi. "De normale concepten van gas, vloeistof en vast lichaam gelden niet echt meer bij een dergelijke druk." 

Een samengestelde foto van de centrale cycloon op de noordpool van Jupiter, met acht wervelstormen er rond. Het beeld is gemaakt op basis van gegevens van de Jovian Infrared Auroral Mapper (JIRAM) aan boord van de sonde Juno.  NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM

Cyclonen op de polen

Een opvallend resultaat van de Juno-missie zijn de prachtige beelden van de enorme cyclonen, wervelstormen, aan de polen van Jupiter, die genomen zijn met het Jovian Infrared Auroral Mapper-instrument aan boord van Juno. Jiram neemt beelden in het infrarode spectrum, en kan daardoor even goed overdag als 's nachts beelden maken van licht dat opstijgt van diep in Jupiter. JIRAM onderzoekt de weerlaag tot 50 tot 70 kilometer onder de toppen van de wolken van Jupiter.

"Voor Juno wisten we niet wat voor weer het was in de buurt van de polen van Jupiter. Nu zijn we in staat geweest het polaire weer van dichtbij te observeren elke twee maanden", zei Alberto Adriani, een onderzoeker bij het Juno-team van het Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali in Rome, en de belangrijkste auteur van de studie over de polen. "Elk van de noordelijke cyclonen is bijna zo groot als de afstand tussen Napels in Italië en New York City - en de zuidelijke zijn zelfs nog groter. Ze kennen zeer gewelddadige winden, die in sommige gevallen snelheden bereiken van wel 350 kilometer per uur, en wat misschien nog wel het merkwaardigst is, ze liggen zeer dicht bij elkaar, maar blijven toch bestaan. In heel het zonnestelsel kennen we niets dat hier op lijkt."

De polen van Jupiter vormen een duidelijk contrast met de meer bekende oranje en witte banden die de planeet omcirkelen meer naar de evenaar toe. De noordpool wordt gedomineerd door een centrale cycloon, die omringd wordt door acht andere wervelstormen met doormeters tussen 4.000 en 6.000 kilometer. De zuidpool heeft ook een centrale cycloon, die omgeven is door minder maar grotere stormen: het zijn er vijf met een doormeter tussen 5.600 en 7.000 kilometer.  

Bijna al de cyclonen, aan de beide polen, zitten zo dicht op elkaar dat hun spiraalvormige uitlopers in contact komen met de naburige cyclonen. Maar hoe dicht ze ook op elkaar zitten, ze zijn apart blijven bestaan, met individuele vormen die in de studie gedocumenteerd zijn na zeven maanden van observatie. 

"De vraag is, waarom smelten ze niet samen?", zei Adriani op de NASA-website. "We weten van de gegevens van Cassini dat Saturnus een enkele cyclonische vortex heeft aan elke pool. We beginnen te beseffen dat niet alle gasreuzen gelijk geschapen zijn."

De centrale cycloon op de zuidpool, omgeven door vijf andere cyclonen, in een samengestelde foto door Juno genomen. NASA/SWRI/MSSS/Gerald Eichstädt/John Rogers

2,9 miljard kilometer

De ruimtesonde Juno werd op 5 augustus 2011 gelanceerd van op Cape Canaveral in Florida, en kwam in 2016 aan bij Jupiter na een reis van bijna 2,9 miljard kilometer. 

De bedoeling van de missie die 1,1 miljard dollar heeft gekost, is te ontdekken wat er zich onder het wolkendek van de planeet afspeelt, en zo te weten te komen welke mechanismen er spelen op Jupiter, en hoe de planeet ontstaan en geëvolueerd is. Om door de wolken te kunnen kijken, vliegt Juno in een lage baan over de toppen van de wolken, soms nadert de sonde tot op 3.500 kilometer. 

De NASA denkt momenteel na over de vraag of de missie van Juno verlengd zal worden. Het einde van de missie is oorspronkelijk gepland in juli. Het is de bedoeling dat de vluchtleiding Juno dan een vernietigende duik zal laten nemen in de atmosfeer van Jupiter. 

De studies van de NASA zijn gepubliceeerd in "Nature", samen met een begeleidende "News and Views"

Een voorstelling van de ruimtesonde Juno in een baan om Jupiter.