Een deel van het uiterst scherpe beeld in infrarood van de planeet Jupiter, gemaakt door de Gemini North telescoop op Hawaï.
International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA M.H. Wong (UC Berkeley) and team Acknowledgments: Mahdi Zamani.

Telescopen en ruimtetuig Juno duiken samen diep in de atmosfeer van Jupiter

Onderzoekers hebben met de Gemini North telescoop mee van de hoogste resolutie beelden van Jupiter gemaakt die ooit vanop de grond zijn genomen. Ze gebruikten daarvoor een techniek die 'lucky imaging' genoemd wordt. De Gemini-beelden maken deel uit van een verschillende jaren durend observatieprogramma, samen met de Hubble, ter ondersteuning van de Juno-missie rond Jupiter. Uit de samenwerking blijkt dat blikseminslagen, en een aantal van de grootste stormsystemen die bliksems veroorzaken, ontstaan in en rond grote convectiecellen boven wolken van waterijs en vloeibaar water. De gegevens bieden ook inzichten in een mysterie van de grote rode vlek op Jupiter en in hoeveel water er in de atmosfeer van de gasreus zit.

De Romeinse oppergod Jupiter is de god van de hemel en het onweer en met donderwolken die 60 kilometer hoog worden en zich uitstrekken over zowat de helft van de breedte van de continentale VS, met winden van orkaankracht in gigantische stormen die eeuwen lang woeden en bliksems die drie keer krachtiger zijn dan de krachtigste superbliksemschichten op aarde, heeft de planeet Jupiter bewezen haar naam meer dan waardig te zijn. 

Ondanks meer dan 400 jaar van wetenschappelijke waarnemingen van Jupiter, blijven veel details over de turbulente atmosfeer van de gasreus nog onduidelijk.

Nu heeft de combinatie van drie jaar van waarnemingen met het internationale Gemini Observatorium op Hawaï in het infrarode spectrum, optische en ultraviolet waarnemingen met de Hubble ruimtetelescoop en radiowaarnemingen van het Juno-ruimtetuig in een baan rond Jupiter een aantal geheimen echter kunnen ontsluieren.    

Een onscherp en een scherp beeld van een deel van Jupiter, genomen in infrarood licht (4.7 μm) met het internationale Gemini Observatory, een programma van het NOIRLab van de National Science Foundation, op 8 april 2019. Omdat de telescoop zijn waarnemingen moet verrichten doorheen de atmosfeer van de aarde, zal elke verstoring in de lucht, zoals wind of veranderingen in de temperatuur, het beeld vervormen en vervagen (links). Dat beperkt in grote mate de resolutie die de telescoop kan bereiken als er slechts een beeld wordt genomen van een bepaald doel. Tijdens een enkele nacht van 'lucky imaging' observaties echter, neemt de telescoop honderden opnames van het doel. Een aantal daarvan zullen vervormd zijn, maar veel opnames zullen genomen zijn op een ogenblik dat het zicht op de ruimte rustig was en vrij van verstoringen (rechts). In die 'lucky images' zijn veel kleinere, complexere details van Jupiter te zien. Het onderzoeksteam zoekt dan de scherpste opnames uit en brengt ze samen in een mozaïek van de hele schijf.
International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA M.H. Wong (UC Berkeley) and team Acknowledgments: Mahdi Zamani.

'Lucky imaging'

"De gegevens van Gemini waren essentieel omdat ze ons toelieten diep in de wolken van Jupiter te kijken volgens een regelmatig schema", zei Michael Wong van de University of California Berkeley, de leider van het onderzoeksteam. "We maakten gebruik van een erg krachtige techniek die 'lucky imaging' genoemd wordt."

Bij lucky imaging (fortuinlijke beeldvorming, ook lucky exposures genoemd) wordt er een groot aantal beelden genomen met een zeer korte sluitertijd, en enkel de scherpste beelden, genomen als de atmosfeer van de aarde gedurende korte tijd stabiel is, worden gebruikt. 

Het resultaat daarvan zijn, in dit geval, mee van de scherpste infrarood beelden van Jupiter die ooit genomen zijn vanop de grond. "Deze beelden kunnen wedijveren met het zicht vanuit de ruimte", zei Wong. 

De Near Infrared Imager (NIRI) van de Gemini North telescoop laat astronomen toe diep in de krachtige stormen op Jupiter te kijken, aangezien de langere golflengte van infrarood licht door de dunne mist en de dunne wolkenslierten kan dringen maar verduisterd wordt door dikkere wolken hoog in de atmosfeer van Jupiter. Dit creëert in de beelden een effect zoals bij een uitgeholde en uitgekerfde pompoenlantaarn, waarbij de warme, diep liggende lagen van Jupiters atmosfeer doorheen gaten in het dikke wolkendek van de planeet gloeien, zoals een kaars door de uitgekerfde ogen en mond van een pompoen met Halloween. 

De gedetailleerde beeldvorming van Gemini en Hubble in verschillende golflengten is de voorbije drie jaar essentieel gebleken om een context te geven aan de waarnemingen van de Juno-satelliet, en om de windpatronen, atmosferische golven en de cyclonen - lagedrukgebieden die het centrum van een storm vormen - op Jupiter te leren begrijpen. 

De twee telescopen kunnen, samen met Juno, de atmosfeer van Jupiter observeren als een systeem van winden, gassen, warmte en weerfenomenen,  op een manier die lijkt op het netwerk van weersatellieten dat meteorologen gebruiken om de aarde te observeren. 

De samenwerking laat de onderzoekers ook toe te schatten hoeveel water er in de atmosfeer van Jupiter zit, en dat geeft dan weer nieuwe inzichten in hoe Jupiter momenteel werkt en hoe de planeet en de andere planeten in ons zonnestelsel gevormd werden. 

De uitzonderlijk  scherpe infrarood foto van Jupiter van bovenaan het artikel in haar geheel. Het beeld is een mozaïek van negen aparte richtpunten waarvan de telescoop 'lucky imaging' beelden genomen heeft op 29 april 2019. Van elk punt werden 38 opnames gemaakt en het team koos daaruit de 10 procent beste. Al die beelden werden gecombineerd tot dit volledige beeld, een van de scherpste in infrarood ooit genomen van Jupiter vanop de aarde.
International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA M.H. Wong (UC Berkeley) and team Acknowledgments: Mahdi Zamani.

Een bliksemlichtshow op de radio door gigantische stormen

De stormen die constant op Jupiter woeden, zijn gigantisch in vergelijking met de stormen op aarde, met enorme torens van donderwolken die met hun 60 kilometer vijf keer hoger zijn dan de doorsnee donderwolk op aarde en krachtige bliksemschichten die tot drie keer meer energie bevatten dan de zwaarste superbliksemschichten op aarde. 

Zoals de bliksem op aarde gedragen de bliksemschichten op Jupiter zich als radiozenders en zenden ze niet alleen zichtbaar licht uit maar ook radiogolven als ze door de hemel klieven. 

Om de 53 dagen vliegt Juno laag over de stormsystemen en vangt daarbij radiosignalen op die bekend staat als 'sferics'  - van atmospherics  - en 'whistlers' - 'fluiters', omdat ze op een radio-ontvanger een fluitende toon veroorzaken. Die radiosignalen kunnen gebruikt worden om de bliksems in kaart te brengen, zelfs aan de dagkant van de planeet en in diepe wolken waar de flitsen niet zichtbaar zijn op een andere manier. 

Samenvallend met die passages van Juno kijken de Hubble en Gemini telescopen vanuit de verte toe en ze nemen hoge resolutie beelden van de planeet die de sleutel vormen tot het interpreteren van de close-up waarnemingen van Juno. 

"De microwave radiometer van Juno dringt diep door in de atmosfeer van de planeet door hoge frequentie radiogolven waar te nemen die door de dikke wolkenlagen kunnen dringen", zei Amy Simon. "De gegevens van Hubble en Gemini kunnen ons vertellen hoe dik de wolken zijn en hoe diep we kijken in de wolken." Doctor Simons is de senior onderzoeker van de Planetary Atmospheres Research in de afdeling Solar System Exploration van het Goddard Space Flight Center van de NASA.

Door de bliksemflitsen die Juno gedetecteerd heeft in kaart te brengen op optische beelden van de planeet van de Hubble en thermische infrarood beelden die tegelijkertijd door de Gemini telescoop genomen werden, kon het onderzoeksteam aantonen dat uitbarstingen van bliksems verbonden zijn met een drievoudige combinatie van wolkenstructuren: diepe wolken van water, grote convectietorens die veroorzaakt worden door het opstijgen van vochtige lucht - in essentie Jupiters donderwolken - en heldere gebieden die waarschijnlijk veroorzaakt worden door het neerdalen van drogere lucht buiten de torenwolken.

Convectie is de overdracht van warmte door een massale verplaatsing van moleculen in een gas of een vloeistof, in dit geval van vochtige lucht die opstijgt en warmte naar boven brengt, en droge lucht die daalt. 

"Onderzoekers volgen bliksems omdat ze een aanwijzing zijn voor convectie, het turbulente proces van vermenging dat de interne hitte van Jupiter naar boven brengt, naar de zichtbare toppen van de wolken", zei Wong. 

De grootste concentratie van bliksems die gezien werd door Juno, was afkomstig van een wervelende storm die de onderzoekers een "filamentary cyclone" noemden - een draadachtige cycloon. Beelden van Hubble en Gemini tonen details van die cycloon en maken duidelijk dat het een verwrongen verzameling van hoge convectiewolken was met diepe kloven die een glimp boden op de waterwolken beneden in de diepte.  

"Deze cyclonale vortexen zouden interne 'energie-schoorstenen' kunnen zijn, die helpen de interne energie vrij te maken door convectie", zei Wong. "Het gebeurt niet overal, maar iets in verband met deze cyclonen lijkt convectie te vergemakkelijken."

Een voorstelling van bliksem, convectietorens (donderwolken), diep liggende waterwolken en open plekken in de atmosfeer van Jupiter, gebaseerd op een combinatie van gegevens van de Juno-satelliet, de Hubble ruimtetelescoop en de Gemini North telescoop. Juno vangt radiosignalen op die gegenereerd worden door de ontladingen van bliksems. Omdat radiogolven door al de wolkenlagen van Jupiter kunnen dringen,  is Juno in staat om zowel bliksem waar te nemen in diepe wolken als aan de dagkant van de planeet. Hubble vangt zonlicht op dat weerkaatst op de wolken in de atmosfeer van Jupiter. Verschillende golflengten dringen tot op verschillende diepten door in de wolken, wat de onderzoekers in staat stelt om de relatieve hoogte van de toppen van de wolken vast te stellen. Gemini brengt de dikte in kaart van koude wolken die thermisch infrarood licht uit de warmere atmosferische lagen eronder blokkeren. Dikke wolken zijn donker op de infrarood kaarten terwijl open plekken helder zijn. De combinatie van die waarnemingen kan gebruikt worden om de structuur van de wolken in drie dimensies in kaart te brengen en er details over de atmosferische circulatie uit af te leiden. Dikke torenwolken vormen zich waar vochtige lucht opstijgt,  open plekken vormen zich waar drogere lucht naar beneden zinkt. Het gebied dat hier afgebeeld is, zou op aarde een derde breder zijn dan de continentale Verenigde Staten.
NASA, ESA, M.H. Wong (UC Berkeley), and A. James and M.W. Carruthers (STScI)

Hoeveel water?

Nu de onderzoekers bliksem in verband kunnen brengen met diepe waterwolken, hebben ze ook een nieuw instrument om de hoeveelheid water te schatten die zich in de atmosfeer van Jupiter bevindt. Dat is belangrijk om te begrijpen hoe Jupiter en de andere gas- en ijsreuzen aan de buitenkant van ons zonnestelsel zich gevormd hebben, en dus ook om te achterhalen hoe ons hele zonnestelsel zich gevormd heeft meer dan 4,5 miljard jaar geleden. 

Hoewel we al veel te weten zijn gekomen over Jupiter van eerdere ruimtemissies, blijven veel details toch een raadsel, onder meer hoeveel water er in de diepe atmosfeer zit en hoe de warmte vanuit het binnenste zich precies verspreidt. De gecombineerde resultaten van de waarnemingen bieden alvast een inzicht in de dynamiek en de driedimensionale structuur van de atmosfeer. 

Beelden van de 'grote rode vlek', een storm die verschillende keren groter is dan de aarde en al honderden jaren woedt op Jupiter. Links boven en onder beelden van de Hubble in zichtbaar licht, rechts bovenaan een beeld van Gemini in infrarood, onderaan in het midden een beeld in ultraviolet van de Hubble. Hubble heeft het licht opgevangen dat weerkaatst wordt door de nevel boven de grote rode vlek. In zichtbaar licht ziet de vlek er rood uit omdat de nevel de blauwe golflengten absorbeert en dus niet weerkaatst.  Rechts onderaan een combinatie van de gegevens van Hubble en Gemini, met zichtbaar licht in het blauw en infrarood in het rood. De gecombineerde waarnemingen tonen dat gebieden die helder zijn in infrarood, open plekken zijn of plekken waar er minder bedekking is door wolken die de warmte vanuit het binnenste van de planeet blokkeren..

Een gloed in de grote rode vlek

Beelden van Juno en van eerdere missies naar Jupiter toonden donkere elementen in de grote rode vlek, een gigantische storm op Jupiter die al honderden jaren woedt. Die donkere elementen verschijnen, verdwijnen en veranderen van vorm in de loop van de tijd. 

Uit de aparte beelden was het niet duidelijk of de donkere verschijningen veroorzaakt werden door een mysterieus donker materiaal in de hoge wolkenlaag, of dat het gaten waren in de hoge wolken, die een uitzicht boden op een diepere, donkere laag onder de wolken. 

Nu is dat mysterie opgelost dankzij de gegevens van Gemini. Daar waar beelden in zichtbaar licht van de Hubble een donkere halve cirkel toonden in de grote rode vlek, lieten infrarood beelden van Gemini een heldere boog zien die de omgeving verlichtte. Die infrarode gloed, afkomstig van de interne hitte van Jupiter, zou geblokkeerd geworden zijn door dikkere wolken, maar hij kan ongestoord door de nevelige atmosfeer van Jupiter passeren. Gemini heeft dus bevestigd dat er gaten in de wolken zitten door de donkere elementen te zien als heldere infrarode hotspots.

"De Near Infrared Imager (NIRI) van Gemini North is de meest effectieve manier voor de Amerikaanse en internationale onderzoekers van de Gemini-samenwerking om gedetailleerde kaarten te verkrijgen van Jupiter in deze golflengte", zei Wong. Gemini bereikte een resolutie van  500 kilometer op Jupiter. "Met deze resolutie zou de telescoop de twee koplampen kunnen onderscheiden van een auto in Miami, gezien vanuit New York", zei Andrew Stephens, de astronoom bij Gemini die de leiding had over de waarnemingen. 

De Gemini North telescoop op de Maunakea-berg op Hawaï voor zonsopgang, onder een deel van de Melkweg. Links zijn de koepels te zien van de Canada-France-Hawai‘i Telescope.
Gemini Observatory/Association of Universities for Research in Astronomy/Foto: Joy Pollard

Verwerkte gegevens vrij beschikbaar

Omdat de waarnemingen van de Hubble en Gemini telescopen zo belangrijk zijn voor het interpreteren van de gegevens van de Juno satelliet, maken Wong, Simon en hun collega Imke de Pater van UC Berkeley al de verwerkte gegevens makkelijk toegankelijk voor andere onderzoekers via de Mikulski Archives for Space Telescopes (MAST). 

"Wat belangrijk is, is dat we erin geslaagd zijn om deze gigantische set data te verzamelen die de Juno-missie ondersteunt. Er zijn zo veel toepassingen van die we zelfs niet kunnen voorzien. Dus gaan we andere mensen in de gelegenheid stellen om wetenschap te bedrijven zonder de hinderpaal zelf te moeten uitzoeken hoe de data te verwerken", zei Wong. 

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal Supplement Series. Dit artikel is gebaseerd op persberichten van het Gemini Observatory en het Space Telescope Science Institute van de Hubble van de NASA.  

Meest gelezen