Endlich wurde beobachtet, dass Jupiter Röntgenstrahlen in hochenergetischen Wellenlängen aussendet.
Die Emissionen, die von den permanenten Polarlichtern des Riesenplaneten ausgehen und vom weltraumgestützten Röntgenteleskop NuSTAR der NASA erfasst werden, sind das energiereichste Licht, das von allen Planeten im Sonnensystem (außer der Erde) ausgeht.
Die Entdeckung könnte Licht auf die stärksten Polarlichter im Sonnensystem werfen und löst ein langjähriges Rätsel: warum die gemeinsame ESA-NASA-Raumsonde Ulysses in den fast drei Jahrzehnten ihres Betriebs zwischen 1990 und 2009 keine Jupiter-Röntgenstrahlen entdeckte.
Jupiters Polarlichter sind ein absolut faszinierendes Phänomen. An seinen beiden Polen ist der Planet von permanenten Polarlichtern umgeben – unsichtbar für unsere Augen, aber leuchtend in ultravioletten Wellenlängen. Von den Röntgenobservatorien Chandra und XMM-Newton wurde auch beobachtet, dass diese Regionen niederenergetische oder „weiche“ Röntgenstrahlen aussenden.
Wissenschaftler dachten, dass es auch hochenergetische oder “harte” Röntgenstrahlen geben sollte, die über das hinausgehen, was diese Instrumente erkennen können. Also benutzten sie NuSTAR, um nach ihnen zu suchen.
„Es ist ziemlich schwierig für Planeten, Röntgenstrahlen in dem Bereich zu erzeugen, den NuSTAR erfasst“, sagte die Astrophysikerin Kaya Mori von der Columbia University.
„Aber Jupiter hat ein enormes Magnetfeld und dreht sich sehr schnell. Diese beiden Eigenschaften bedeuten, dass die Magnetosphäre des Planeten wie ein riesiger Teilchenbeschleuniger wirkt, und das macht diese energiereicheren Emissionen möglich.“
Jupiters Polarlichter sind Polarlichtern hier auf der Erde ähnlich und unähnlich, wo sie durch Partikel erzeugt werden, die von der Sonne eingeblasen werden. Sie kollidieren mit dem Magnetfeld der Erde, das geladene Teilchen wie Protonen und Elektronen entlang der Magnetfeldlinien zu den Polen schleudert, wo sie auf die obere Erdatmosphäre niederprasseln und mit atmosphärischen Molekülen kollidieren. Die daraus resultierende Ionisierung dieser Moleküle erzeugt die atemberaubenden tanzenden Lichter.
Auf Jupiter ist der grundlegende Mechanismus ähnlich, aber es gibt ein paar Unterschiede. Die Polarlichter sind, wie bereits erwähnt, konstant und permanent; Das liegt daran, dass die Teilchen nicht von der Sonne stammen, sondern vom Jupitermond Io, der vulkanischsten Welt im Sonnensystem.
Es stößt ständig Schwefeldioxid aus, das sofort durch eine komplexe Gravitationswechselwirkung mit dem Planeten abgestreift wird, ionisiert wird und einen Plasmatorus um den Gasriesen bildet. Partikel von diesem Torus werden entlang Magnetfeldlinien zu den Polen geschleudert und so weiter.
Die von NuSTAR nachgewiesene Emission. (NASA/JPL-Caltech)
Dieser Prozess erzeugt weiche Röntgenstrahlen, wie zuvor entdeckt wurde. Nun wurden auch harte Röntgenstrahlen gefunden. Es war keine einfache Erkennung, da die hochenergetischen Röntgenstrahlen eigentlich ziemlich schwach sind, aber das, sagten die Forscher, erklärt nicht, warum Ulysses sie nicht erkennen konnte. Die Antwort, fanden sie, liegt in der Art und Weise, wie die harten Röntgenstrahlen erzeugt werden.
Wenn Elektronen entlang der Magnetfeldlinien von Jupiter beschleunigt werden, gelangen sie mit hoher Geschwindigkeit in die Atmosphäre des Planeten. Wenn diese Elektronen in die Nähe von Atomkernen und deren elektrischen Feldern gelangen, werden sie schlagartig abgelenkt und abgebremst. Ihre kinetische Energie muss jedoch nach dem Energieerhaltungssatz irgendwo hin, damit sie in Röntgenstrahlung umgewandelt wird.
Dies wird als Bremsstrahlung oder Bremsstrahlung bezeichnet. Die weiche Röntgenstrahlung wird über einen anderen Mechanismus namens Ladungsaustausch erzeugt, bei dem Elektronen auf Ionen übertragen werden, deren Anregung ein Leuchten erzeugt.
Diese Mechanismen erzeugen jeweils ein anderes Lichtprofil, sagten die Forscher. Bei höheren Energien sollten Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlen bei höheren Energien schwächer sein, was erklären würde, warum Ulysses sie nie gefunden hat.
Das Team modellierte die Daten einschließlich des Bremsstrahlungsmechanismus und stimmte nicht nur mit den NuSTAR-Beobachtungen überein, sondern zeigte auch, dass die Emission außerhalb des Empfindlichkeitsbereichs von Ulysses liegt. So weit, so gut, aber wir haben gerade erst begonnen, das Phänomen zu untersuchen.
Während NuSTAR zum Beispiel harte Röntgenstrahlen in der allgemeinen Region der Jupiter-Auroren erkennen konnte, war es nicht in der Lage, einen genauen Emissionspunkt zu bestimmen.
„Die Entdeckung dieser Emissionen schließt den Fall nicht ab, sondern schlägt ein neues Kapitel auf“, sagte der Astronom William Dunn vom University College London im Vereinigten Königreich.
„Wir haben immer noch so viele Fragen zu diesen Emissionen und ihren Quellen. Wir wissen, dass rotierende Magnetfelder Teilchen beschleunigen können, aber wir verstehen nicht ganz, wie sie bei Jupiter so hohe Geschwindigkeiten erreichen. Welche grundlegenden Prozesse produzieren solche energiereichen Teilchen auf natürliche Weise?“
Zukünftige harte Röntgenstudien von Jupiters Polarlichtern könnten dazu beitragen, mehr Licht auf die Physik zu werfen, die im Spiel ist.
Die Forschung wurde in veröffentlicht Naturastronomie.