Wissenschaftler lösen ein 40-jähriges Rätsel um die erstaunlich starken Röntgenstrahlen von Jupiters Aurora Borealis

Ein Forschungsteam hat ein jahrzehntealtes Rätsel gelöst, wie Jupiter alle paar Minuten einen erstaunlichen Röntgenstrahl erzeugt.

Ein Forschungsteam unter der Leitung des UCL (University College London) hat ein jahrzehntealtes Rätsel gelöst, wie Jupiter alle paar Minuten einen erstaunlichen Röntgenstrahl erzeugt.

Röntgenstrahlen sind Teil von Jupiters Aurora – Ausbrüche von sichtbarem und unsichtbarem Licht, die auftreten, wenn geladene Teilchen mit der Atmosphäre des Planeten interagieren. Ein ähnliches Phänomen tritt auf der Erde auf, wo es das Nordlicht erzeugt, aber Jupiter ist viel stärker und setzt Hunderte von Gigawatt Energie frei, die ausreicht, um die gesamte menschliche Zivilisation mit Energie zu versorgen. *

In einer neuen Studie veröffentlicht in Wissenschaftlicher FortschrittDie Forscher kombinierten Nahaufnahmen der Umgebung des Jupiter durch den Juno-Satelliten der NASA, der derzeit den Planeten umkreist, mit gleichzeitigen Röntgenmessungen des XMM-Newton-Observatoriums der Europäischen Weltraumorganisation (in der Erdumlaufbahn).

Das Forschungsteam unter der Leitung von UCL und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entdeckte, dass die Röntgenstrahlen durch periodische Schwingungen der magnetischen Feldlinien des Jupiter verursacht wurden. Diese Schwingungen erzeugen Plasmawellen (ionisiertes Gas), die schwere Ionenpartikel entlang magnetischer Feldlinien „surfen“ lassen, bis sie mit der Atmosphäre des Planeten kollidieren und Energie in Form von Röntgenstrahlen freisetzen.

Überlagerte Bilder des Jupiterpols vom Juno-Satelliten der NASA und dem Chandra-Röntgenteleskop der NASA. Die linke Seite zeigt eine Projektion der Aurora Borealis (Magenta) Röntgenaufnahme des Jupiter auf das sichtbare JunoCam-Bild des Nordpols. Rechts zeigt das südliche Gegenstück. Bildnachweis: NASA Chandra / Juno Walk / Dunn

Co-Hauptautor Dr. William Dunn (UCLA Mullard Space Science Laboratory) sagte: „Wir haben gesehen, wie Jupiter vier Jahrzehnte lang Röntgen-Auroren produzierte, aber wir wussten nicht, wie das passierte. Wir wussten, dass sie nur mit Ionen produziert wurden.“ traf die Atmosphäre Atmosphäre des Planeten.

„Wir wissen jetzt, dass diese Ionen durch Plasmawellen transportiert werden – eine Erklärung, die bisher nicht vorgeschlagen wurde, obwohl ein ähnlicher Prozess die erdeigene Aurora erzeugt. Daher könnte es sich um ein globales Phänomen handeln, das in vielen verschiedenen Umgebungen im Weltraum präsent ist.“ .

Röntgen-Auroren treten an Jupiters Nord- und Südpol auf, oft mit einem regelmäßigen Uhrwerk – während dieser Beobachtung produzierte Jupiter alle 27 Minuten Röntgenstrahlen.

Teilchen geladener Ionen, die auf die Atmosphäre treffen, stammen von vulkanischem Gas, das von riesigen Vulkanen auf dem Jupitermond Io in den Weltraum strömt.

Dieses Gas wird aufgrund von Kollisionen in der unmittelbaren Umgebung des Jupiter ionisiert (seinen Atomen werden Elektronen entzogen) und bildet einen Donut aus Plasma, der den Planeten umgibt.

Zum ersten Mal haben Astronomen gesehen, wie das Magnetfeld des Jupiter komprimiert wird, wodurch Teilchen erhitzt und entlang der Magnetfeldlinien in die Atmosphäre des Jupiters geleitet werden, wodurch Röntgen-Auroren entstehen. Die Kommunikation erfolgte durch die Kombination von In-Situ-Daten der Juno-Mission der NASA mit Röntgenbeobachtungen des XMM-Newton-Instruments der ESA. Bildnachweis: ESA/NASA/Yao/Dunn

Co-Lead-Autor Dr. Zhonghua Yao (Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking) sagte: „Jetzt haben wir diesen grundlegenden Prozess identifiziert und es gibt eine Fülle von Möglichkeiten, ihn als nächstes zu untersuchen. Ähnliche Prozesse werden wahrscheinlich um Saturn, Uranus, Neptun und möglicherweise um die Exoplaneten herum.Auch mit verschiedenen Arten von geladenen Teilchen, die auf den Wellen „surfen“.

Co-Autorin Professorin Graziella Brandoardi-Raymont (UCLA Space Science Laboratory) sagte: „Röntgenstrahlen werden typischerweise von extrem starken und heftigen Phänomenen wie Schwarzen Löchern und Neutronensternen erzeugt, daher erscheint es seltsam, dass nur Planeten sie auch produzieren.

„Wir können Schwarze Löcher niemals besuchen, weil sie über die Raumfahrt hinausgehen, aber Jupiter ist vor unserer Haustür. Mit Junos umkreisendem Jupiter haben Astronomen jetzt eine fantastische Gelegenheit, eine Umgebung zu studieren, die Röntgenstrahlen erzeugt.“

Für die neue Studie analysierten die Forscher über einen Zeitraum von 26 Stunden kontinuierlich Beobachtungen von Jupiter und seiner Umgebung durch die Satelliten Juno und XMM-Newton.

Sie fanden eine klare Korrelation zwischen den von Juno detektierten Wellen im Plasma und den von XMM-Newton aufgezeichneten Polarlicht-Röntgeneruptionen des Jupiter-Nordpols. Dann verwendeten sie Computermodelle, um zu bestätigen, dass die Wellen die schweren Teilchen in die Atmosphäre des Jupiters drängen würden.

Warum magnetische Feldlinien periodisch schwingen, ist nicht klar, aber die Schwingung kann aus Wechselwirkungen mit dem Sonnenwind oder aus Hochgeschwindigkeits-Plasmaströmungen in der Magnetosphäre des Jupiter resultieren.

Das Magnetfeld des Jupiter ist extrem stark – etwa 20.000 Mal stärker als die Erde – und daher ist die Magnetosphäre des Jupiter, der von diesem Magnetfeld kontrollierte Bereich, extrem groß. Wäre es am Nachthimmel sichtbar, würde es eine Fläche bedecken, die mehrfach so groß ist wie unser Mond.

Die Arbeit wurde von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der National Natural Science Foundation of China, dem UK Science and Technology Facilities Council (STFC), der Royal Society, dem Natural Environment Research Council sowie der Europäischen Weltraumorganisation und der NASA unterstützt.

* Allein die Röntgen-Auroren des Jupiter setzen Gigawatt frei, das entspricht dem, was ein einzelnes Kraftwerk im Laufe von Tagen produzieren würde.

Referenz: 9. Juli 2021, Wissenschaftlicher Fortschritt.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf0851