Al eeuwenlang observeren astronomen het wervelende oppervlak van Jupiter en waren onder de indruk en verbijsterd door het uiterlijk. Het mysterie werd pas groter toen in 1995 de Galileo ruimtevaartuig bereikte Jupiter en begon zijn atmosfeer grondig te bestuderen. Sinds die tijd hebben astronomen zich afgevraagd over de gekleurde banden en vroegen ze zich af of het slechts oppervlakkige verschijnselen zijn of iets dat dieper gaat.
Dankzij de Juno ruimtevaartuig, dat sinds juli 2016 om Jupiter draait, zijn wetenschappers nu veel dichter bij het beantwoorden van die vraag. Afgelopen week zijn er drie nieuwe onderzoeken gepubliceerd op basis van Juno gegevens die nieuwe bevindingen presenteerden over het magnetische veld van Jupiter, de inwendige rotatie ervan en hoe diep de banden reiken. Al deze bevindingen herzien wat wetenschappers denken van de atmosfeer van Jupiter en de binnenlagen.
De onderzoeken waren getiteld "Meting van het asymmetrische zwaartekrachtveld van Jupiter", "De atmosferische straalstromen van Jupiter strekken zich duizenden kilometers diep uit" en "Een onderdrukking van differentiële rotatie in het diepe interieur van Jupiter", die allemaal zijn gepubliceerd in Natuur op 7 maart 2018. De studies werden geleid door Prof. Luciano Iess van de Sapienza Universiteit van Rome, de tweede door Prof. Yohai Kaspi en Dr. Eli Galanti van het Weizmann Institute of Science, en de derde door Prof. Tristan Guillot van de Observatoire de la Cote d'Azur.
De onderzoeksinspanning werd geleid door Professo Kaspi en Dr. Galanti, die naast de hoofdauteurs van de tweede studie ook coauteurs waren van de andere twee. Het paar bereidde zich al eerder voor op deze analyse Juno gelanceerd in 2011, gedurende welke tijd ze wiskundige tools hebben gebouwd om de gravitatieveldgegevens te analyseren en een beter begrip te krijgen van de atmosfeer en de dynamiek van Jupiter.
Alle drie de onderzoeken waren gebaseerd op gegevens verzameld door Juno elke 53 dagen van de ene naar de andere pool van Jupiter - een manoeuvre die bekend staat als een 'perijove'. Bij elke passage gebruikte de sonde zijn geavanceerde reeks instrumenten om onder de oppervlaktelagen van de atmosfeer te gluren. Bovendien werden radiogolven uitgezonden door de sonde gemeten om te bepalen hoe ze bij elke baan door het zwaartekrachtveld van de planeet werden verschoven.
Zoals astronomen al enige tijd hebben begrepen, stromen de stralen van Jupiter in banden van oost naar west en van west naar oost. Daarbij verstoren ze de gelijkmatige massaverdeling op de planeet. Door veranderingen in het zwaartekrachtveld van de planeet (en dus deze massa-onbalans) te meten, konden de analytische hulpmiddelen van Dr. Kaspi en Dr. Galanti berekenen hoe diep de stormen zich onder het oppervlak uitstrekken en hoe de inwendige dynamiek eruit ziet.
Bovenal verwachtte het team afwijkingen te vinden vanwege de manier waarop de planeet afwijkt van een perfecte bol - wat te danken is aan de snelle rotatie van de planeet. Ze zochten echter ook naar bijkomende afwijkingen die verklaard konden worden door de aanwezigheid van krachtige wind in de atmosfeer.
In de eerste studie gebruikten Dr. Iess en zijn collega's nauwkeurige Doppler-tracking van de Juno ruimtevaartuig om metingen uit te voeren van de zwaartekrachtharmonischen van Jupiter - zowel even als oneven. Wat ze bepaalden was dat het magnetische veld van Jupiter een noord-zuid asymmetrie heeft, wat indicatief is voor inwendige stromingen in de atmosfeer.
De analyse van deze asymmetrie werd opgevolgd in de tweede studie, waarbij Dr. Kaspi, Dr. Galanti en hun collega's de variaties in het zwaartekrachtveld van de planeet gebruikten om de diepte van de oost-weststraalstromen van Jupiter te berekenen. Door te meten hoe deze jets een onbalans veroorzaken in het zwaartekrachtveld van Jupiter en zelfs de massa van de planeet verstoren, concludeerden ze dat ze zich uitstrekken tot een diepte van 3000 km (1864 mi).
Van dit alles voerden Prof. Guillot en zijn collega's de derde studie uit, waarbij ze de eerdere bevindingen over het zwaartekrachtveld en de jetstromen van de planeet gebruikten en de resultaten vergeleken met voorspellingen van interieurmodellen. Hieruit hebben ze vastgesteld dat het binnenste van de planeet bijna roteert als een star lichaam en dat de differentiële rotatie verder afneemt.
Bovendien ontdekten ze dat de zones van atmosferische stroming zich uitstrekten tot tussen 2.000 km (1243 mijl) en 3.500 km (2175 mijl) diep, wat consistent was met de beperkingen die werden verkregen door de onevenwichtige zwaartekrachtharmonischen. Deze diepte komt ook overeen met het punt waar de elektrische geleidbaarheid groot genoeg zou worden zodat de magnetische weerstand de differentiële rotatie zou onderdrukken.
Op basis van hun bevindingen berekende het team ook dat de atmosfeer van Jupiter 1% van de totale massa uitmaakt. Ter vergelijking: de atmosfeer van de aarde is minder dan een miljoenste van zijn totale massa. Maar, zoals Dr. Kaspi uitlegde in het persbericht van het Weizzmann Institute, was dit nogal verrassend:
'Dat is veel meer dan iemand dacht en meer dan wat bekend is van andere planeten in het zonnestelsel. Dat is in feite een massa die gelijk is aan drie aardbewegingen met een snelheid van tientallen meters per seconde. '
Alles bij elkaar hebben deze studies een nieuw licht geworpen op de atmosferische dynamiek en interieurstructuur van de Jupiter. Momenteel blijft het onderwerp van wat zich in de kern van Jupiter bevindt onopgelost. Maar de onderzoekers hopen verdere metingen van Juno om te zien of Jupiter een stevige kern heeft en (zo ja) om de massa te bepalen. Dit zal op zijn beurt astronomen helpen om veel te leren over de geschiedenis en vorming van het zonnestelsel.
Bovendien willen Kaspi en Galanti dezelfde methoden gebruiken die ze hebben ontwikkeld om de jetstreams van Jupiter te karakteriseren om de meest iconische functie ervan aan te pakken: Jupiter's Great Red Spot. Naast het bepalen van hoe diep deze storm zich uitstrekt, hopen ze ook te weten te komen waarom deze storm al zoveel eeuwen aanhoudt en waarom deze de afgelopen jaren merkbaar is afgenomen.
De Juno-missie zal naar verwachting in juli 2018 worden afgerond. Behoudens uitbreidingen, zal de sonde na het uitvoeren van perijove 14 een gecontroleerde deorbit in de atmosfeer van Jupiter uitvoeren. Maar zelfs nadat de missie voorbij is, zullen wetenschappers de verzamelde gegevens analyseren voor de aankomende jaren. Wat dit onthult over de grootste planeet van het zonnestelsel, zal ook een grote bijdrage leveren aan het informeren van het begrip van het zonnestelsel.
