Júpiter se muestra en luz visible superpuesta con una impresión artística del brillo infrarrojo de su atmósfera superior. El brillo de la atmósfera superior corresponde a la temperatura. De caliente a frío: blanco, amarillo, rojo vivo, rojo oscuro. Las auroras son las regiones más cálidas y muestran cómo el calor puede ser transportado por los vientos lejos de la aurora y causar un calentamiento en todo el planeta. Créditos: J. O’Donoghue (JAXA) / Hubble / NASA / ESA / A. Simon / J. Schmidt

Un nuevo mapa de temperaturas en la atmósfera superior de Júpiter revela una solución a la «crisis energética del planeta».

Ubicado a más de cinco veces la distancia del Sol que la Tierra, no se esperaría que Júpiter sea particularmente cálido. Según la cantidad de luz solar recibida, la temperatura media en la atmósfera superior del planeta gigante debería ser de unos 200 K o unos fríos -73 grados centígrados. En cambio, el valor medido se sitúa alrededor de 700 K o 420 Celsius. La fuente de este calor global ha permanecido esquiva durante 50 años, lo que ha hecho que los científicos se refieran a la discrepancia como una “crisis energética” para el planeta.

Ahora, una investigación dirigida por James O’Donoghue (JAXA) ha encontrado la fuente probable del impulso térmico de Júpiter. Al crear los mapas globales de mayor resolución hasta la fecha de la temperatura de la atmósfera superior de Júpiter, el equipo ha revelado que la principal fuente de calor adicional es la poderosa aurora de Júpiter.

Júpiter se muestra por primera vez en luz visible para el contexto antes de superponer una impresión artística del resplandor infrarrojo de la atmósfera superior joviana. El brillo de la atmósfera superior corresponde a la temperatura. De caliente a frío: blanco, amarillo, rojo vivo, rojo oscuro. Las auroras son las regiones más calientes y la animación muestra cómo el calor puede ser transportado por los vientos lejos de la aurora y causar un calentamiento en todo el planeta. El final de la animación muestra los datos reales con una escala de temperatura, indicando las temperaturas globales observadas medidas en el estudio. Créditos: J. O’Donoghue (JAXA) / Hubble / NASA / ESA / A. Simon / J. Schmidt

Las auroras ocurren cuando las partículas cargadas quedan atrapadas en el campo magnético de un planeta. Estas espirales a lo largo de las líneas de campo hacia los polos magnéticos del planeta, golpean átomos y moléculas en la atmósfera para liberar luz y energía. En la Tierra, esto conduce al característico espectáculo de luces que forman las auroras boreales y australes. En Júpiter, el material que arroja su luna volcánica, Io, conduce a la aurora más poderosa del Sistema Solar y a un calentamiento enorme en las regiones polares del planeta. Aunque las auroras jovianas han sido una fuente de calor candidata desde hace mucho tiempo para la mayoría del planeta, las observaciones hasta ahora no habían podido confirmar o negar esto.

Detalles de la investigación

El equipo observó a Júpiter con el telescopio Keck II de 10 metros en Mauna Kea en Hawai’i durante cinco horas en dos noches separadas en abril de 2016 y enero de 2017. Usando el espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSPEC) en el Keck II, se detectaron emisiónes de iones H3+ en la atmósfera de Júpiter desde los polos del planeta hasta el ecuador. Los iones H3+ son un componente principal de la parte ionizada de la atmósfera superior de Júpiter y la intensidad de la emisión puede usarse para derivar la temperatura de esa región.

Los mapas anteriores de la temperatura atmosférica superior se formaron utilizando imágenes que constan de solo varios píxeles. Esta no es una resolución suficiente para ver cómo podría cambiar la temperatura en todo el planeta, lo que proporciona pocas pistas sobre el origen del calor adicional. Para mejorar la situación, el equipo adoptó un enfoque de dos pasos. El primer paso fue utilizar el poder del Keck II para tomar muchas más mediciones de temperatura en la faz del planeta. El segundo paso consistió en incluir solo una medición de temperatura en el mapa final de la atmósfera si la incertidumbre en el valor registrado era inferior al 5%.

Temperatura (fila superior), densidad (fila central) y brillo (fila inferior) de H3+ en la atmósfera de Júpiter (integrada en columna). Las líneas de trazos largos muestran la región principal de la aurora, la línea de trazos cortos y la línea continua muestran la influencia magnética de las lunas Io y Amaltea . Créditos: O’Donoghue et al, 2021, Nature.

Para lograr esto, el equipo creó cinco mapas de la temperatura atmosférica en diferentes resoluciones espaciales. El mapa de mayor resolución tenía una medición de temperatura promedio por cada 2 grados de longitud x 2 grados de latitud del planeta. Los mapas de menor resolución promediaron la temperatura en las regiones de 4 grados x 4 grados, 6 grados x 6 grados, 8 grados x 8 grados y 10 grados x 10 grados. Si alguna medición de temperatura en el mapa de resolución más alta tuviera una incertidumbre demasiado alta, se sustituirá el valor de un mapa de resolución más baja con una incertidumbre mejorada. El resultado fue un mapa que combinó la resolución más alta posible con la menor incertidumbre en las mediciones: lo mejor de ambos mundos para el análisis.

«Se necesitaron años de trabajo cuidadoso para limpiar y mapear los datos y analizarlos», dijo James O’Donoghue. «Los productos finales fueron mapas de temperatura que se componen de más de diez mil puntos de datos individuales».

Una tendencia clara

Los mapas de temperatura de la atmósfera superior de Júpiter muestran gradientes claros, con temperaturas que disminuyen desde las regiones aurorales polares hasta el ecuador. Esto demostró que la aurora de Júpiter estaba circulando energía auroral por todo el planeta, con vientos que llevaban la atmósfera caliente a latitudes más bajas y longitudes adyacentes.

La idea de que la aurora podría ser la fuente de la misteriosa energía de Júpiter se había propuesto anteriormente. Sin embargo, los modelos globales de la atmósfera superior de Júpiter sugirieron que los vientos que se dirigen hacia el ecuador serían atenuados y redirigidos por los vientos del oeste impulsados ​​por la rápida rotación del planeta. Esto evitaría que la energía auroral se escapara de las regiones polares y calentara toda la atmósfera. Sin embargo, este nuevo resultado de observación sugiere que tal captura no está ocurriendo y que los vientos del oeste pueden ser relativamente más débiles de lo esperado en comparación con los vientos hacia el ecuador.

Fig.1
 (a) Las temperaturas H3+ promediadas de Júpiter el 14 de abril de 2016 y el 25 de enero de 2017. Un globo visible generado por computadora de Júpiter basado en imágenes del telescopio espacial Hubble se muestra de fondo de la proyección de temperatura H3+. Tenga en cuenta que Júpiter se inclina de manera diferente en cada fecha para revelar diferentes características. (b) Temperaturas medias jovianas H3+ encontradas para cada latitud en todas las longitudes. Crédito de imágenes: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial.

Desde la órbita alrededor de la Tierra, el satélite Hisaki de JAXA ha observado el campo magnético generador de auroras alrededor de Júpiter desde el lanzamiento de la misión en 2013. Este seguimiento a largo plazo ha revelado que el campo magnético de Júpiter está fuertemente influenciado por el viento solar; una corriente de partículas de alta energía que emana del sol. El viento solar lleva su propio campo magnético y cuando este se encuentra con el campo planetario de Júpiter, este último se comprime. Se encontró más evidencia de esta interacción y el calentamiento resultante cuando el equipo observó una región extendida de gas de alta temperatura que parecía estar propagándose desde la aurora. En el momento de la observación, la presión del viento solar era particularmente alta en Júpiter y es probable que la compresión del campo haya creado una aurora mejorada. La ola de calor resultante fue la estructura detectada por el equipo cuando comenzó a alejarse hacia latitudes más bajas.

“Fue pura suerte que capturamos este evento potencial de desprendimiento de calor”, señala O’Donoghue. “Si hubiéramos observado Júpiter en una noche diferente, cuando la presión del viento solar no hubiera sido alta recientemente, ¡nos lo habríamos perdido! «

El descubrimiento del gradiente de temperatura que se extiende entre la región auroral de Júpiter y el ecuador puede poner fin a la «crisis energética» del planeta. Sin embargo, mientras que las auroras son un fenómeno esperado en planetas gaseosos gigantes, el estado complejo de sus vientos puede determinar qué tan efectiva es la fuente de calor en diferentes planetas.

Información del artículo

Título: Global upper-atmospheric heating on Jupiter by the polar aurorae
Revista: Nature
Fecha de publicación: 5 de agosto a las 00:00 (JST)
DOI: 10.1038 / s41586-021-03706-w
Autor correspondiente: James O’Donoghue JAXA, Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
Autores:
L. Moore Center for Space Physics, Boston University
T. Bhakyapaibul Center for Space Physics, Universidad de Boston
H. Melin Universidad de Leicester,
T. Stallard Universidad de Leicester,
J. E. P. Connerney Space Research Corporation, Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA,
C. Instituto Nacional Tao de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NTIC)
Enlaces: NTIC

Créditos: JAXA, O’Donoghue et al, Nature, NASA, ESA

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