Observatórios se reúnem: a nave espacial Juno se junta ao satélite Hisaki e ao observatório W. M. Keck para resolver a “crise de energia” em Júpiter

Situado a mais de cinco vezes a distância da Terra do Sol, não se espera que Júpiter seja particularmente quente. Com base na quantidade de luz solar recebida, a temperatura média na alta atmosfera do planeta deve ser de cerca de 100 graus Fahrenheit negativos ou um frio de 73 Celsius negativos. Em vez disso, o valor medido sobe para cerca de 800 graus Fahrenheit ou 426 Celsius. A fonte desse calor extra permaneceu indescritível por 50 anos, fazendo com que os cientistas se referissem à discrepância como uma “crise de energia” para o planeta.

Recentemente, uma equipe internacional reuniu observações de um trio de observatórios – a espaçonave Juno da NASA, o satélite Hisaki da Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA) e o Observatório Keck em Maunakea, no Havaí. – para descobrir a provável origem do aumento térmico de Júpiter.

“Descobrimos que a aurora intensa de Júpiter, a mais poderosa do sistema solar, é responsável por aquecer toda a parte superior da atmosfera do planeta a temperaturas surpreendentemente altas”, disse James O’Donoghue, do Instituto JAXA de Ciência Espacial e Astronáutica, Sagamihara, Japão. O’Donoghue começou a pesquisa enquanto estava no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e é o autor principal de um artigo sobre essa pesquisa publicado na Nature em 4 de agosto.

Júpiter é mostrado pela primeira vez em luz visível para contexto, antes que uma impressão artística do brilho infravermelho da atmosfera superior de Júpiter seja sobreposta. O brilho desta camada superior da atmosfera corresponde às temperaturas, do quente ao frio, nesta ordem: branco, amarelo, vermelho brilhante e, por último, vermelho escuro. As auroras são as regiões mais quentes e a animação mostra como o calor pode ser levado pelos ventos para longe da aurora e causar aquecimento em todo o planeta. Ao final, os dados reais são somados com uma escala de temperatura, indicando as temperaturas globais observadas medidas no estudo. Créditos: J. O’Donoghue (JAXA) / Hubble / NASA / ESA / A. Simon / J. Schmidt

As auroras ocorrem quando partículas eletricamente carregadas são capturadas no campo magnético de um planeta. Estes espirais ao longo de linhas invisíveis de força no campo magnético em direção aos polos magnéticos do planeta, atingindo átomos e moléculas na atmosfera para liberar luz e energia. Na Terra, isso leva ao show de luzes coloridas que forma as auroras boreais e austrais, também conhecidas como luzes do norte e do sul. Em Júpiter, o material em erupção de sua lua vulcânica, Io, leva à aurora mais poderosa do Sistema Solar e um enorme aquecimento na atmosfera superior sobre as regiões polares do planeta.

Júpiter é mostrado em luz visível para contexto sob uma impressão artística do brilho infravermelho da atmosfera superior de Júpiter. O brilho desta camada superior da atmosfera corresponde às temperaturas, do quente ao frio, nesta ordem: branco, amarelo, vermelho brilhante e, por último, vermelho escuro. As auroras são as regiões mais quentes e a imagem mostra como o calor pode ser levado pelos ventos para longe da aurora e causar aquecimento em todo o planeta. Créditos: J. O’Donoghue (JAXA) / Hubble / NASA / ESA / A. Simon / J. Schmidt

A ideia de que a aurora poderia ser a fonte da misteriosa energia de Júpiter havia sido proposta anteriormente, mas as observações não foram capazes de confirmar ou negar isso até agora. Modelos globais da atmosfera superior de Júpiter sugeriram que os ventos aquecidos pela aurora e dirigidos para o equador seriam oprimidos e redirecionados pelos ventos do oeste impulsionados pela rápida rotação do planeta.

Isso evitaria que a energia auroral escapasse das regiões polares e aquecesse toda a atmosfera. No entanto, este novo resultado de observação sugere que tal captura não está ocorrendo e que os ventos de oeste podem ser relativamente mais fracos do que o esperado em comparação com os ventos de equador.

Mapas de temperatura de alta resolução de Keck II, combinados com dados de campo magnético de Hisaki e Juno, permitiram que a equipe capturasse a aurora no ato de enviar o que parece ser um pulso de calor em direção ao equador de Júpiter.

A equipe observou Júpiter com o telescópio Keck II por cinco horas em duas noites separadas em abril de 2016 e janeiro de 2017. Usando o espectrômetro de infravermelho próximo (NIRSPEC) em Keck II, o calor das moléculas de hidrogênio eletricamente carregadas (íons H3 +) na atmosfera de Júpiter foi traçada desde os polos do planeta até o equador.

Mapas anteriores da temperatura atmosférica superior foram formados usando imagens compostas por apenas vários pixels. Isso não é resolução suficiente para ver como a temperatura pode estar mudando em todo o planeta, fornecendo poucas pistas sobre a origem do calor extra. Para melhorar a situação, a equipe utilizou o poder do Keck II para fazer muito mais medições de temperatura em toda a face do planeta e incluiu apenas medições com incerteza no valor registrado de menos de cinco por cento. Isso levou anos de trabalho cuidadoso e gerou mapas de temperatura com mais de dez mil pontos de dados individuais, a maior resolução até hoje.

Em vez de altas temperaturas apenas nas regiões polares próximas à aurora, o que seria esperado se o calor ficasse preso ali, esses mapas detalhados mostraram que o calor na alta atmosfera era mais amplamente distribuído, com uma diminuição gradual da temperatura próximo ao equador.

“Também revelamos uma estranha região localizada de aquecimento bem longe da aurora – uma longa barra de aquecimento diferente de tudo que vimos antes”, disse Tom Stallard, co-autor do artigo na Universidade de Leicester. “Embora não possamos ter certeza do que é esse recurso, estou convencido de que é uma onda de calor fluindo da aurora em direção ao equador.”

Além disso, as observações do satélite Hisaki da JAXA mostraram que as condições no momento das observações da temperatura Keck II poderiam gerar uma forte aurora em Júpiter. Da órbita ao redor da Terra, Hisaki observou o campo magnético gerador de aurora ao redor de Júpiter desde o lançamento da missão em 2013.

Este monitoramento de longo prazo revelou que o campo magnético de Júpiter é fortemente influenciado pelo vento solar; um fluxo de partículas de alta energia que emana do sol. O vento solar carrega seu próprio campo magnético e quando este encontra o campo planetário de Júpiter, este último é comprimido. Na época das observações do Keck II, Hisaki mostrou que a pressão do vento solar era particularmente alta em Júpiter e a compressão do campo provavelmente criou uma aurora aprimorada.

Júpiter é mostrado em luz visível para contexto com uma impressão artística da sobreposição de brilho infravermelho da atmosfera superior de Júpiter, junto com linhas de campo magnético (linhas azuis). As auroras são as regiões mais quentes e a imagem mostra como o calor pode ser levado pelos ventos para longe da aurora e causar aquecimento em todo o planeta. Créditos: J. O’Donoghue (JAXA) / Hubble / NASA / ESA / A. Simon / J. Schmidt

Finalmente, as observações de Juno em órbita ao redor de Júpiter forneceram a localização precisa da aurora no planeta. “Os dados do campo magnético de Juno nos forneceram uma ‘verdade básica’ sobre onde estava a aurora: essa informação não está prontamente disponível nos mapas de calor, pois o calor vaza em muitas direções”, disse O’Donoghue. “Imagine isso como uma praia: se a atmosfera quente é água, o campo magnético mapeado por Juno é a linha costeira e a aurora é o oceano, descobrimos que a água saiu do oceano e inundou a terra, e Juno revelou onde essa linha costeira estava para ajudar nós entendemos o grau de inundação.”

“Foi pura sorte que capturamos esse evento potencial de derramamento de calor”, acrescenta O’Donoghue. “Se tivéssemos observado Júpiter em uma noite diferente, quando a pressão do vento solar não estivesse alta recentemente, teríamos perdido!”

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FONTE:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/juno-jupiter-auroral-heating