Für etwas, das vor drei Jahren hätte erledigt und weggeworfen werden sollen, hat die NASA-Raumsonde Juno einen vollen Terminkalender vor sich, um Jupiter und seine großen Monde zu erkunden.
Die Raumsonde ist am 4. Juli 2016 in die Umlaufbahn um Jupiter eingetreten und hat die Bombardierung des größten Planeten des Sonnensystems durch intensive Strahlung überlebt. Es beendet jetzt seine Hauptmission, aber die NASA hat ihm eine vierjährige Verlängerung und 42 weitere Umlaufbahnen gewährt. Letzte Woche raste er an Ganymed vorbei, dem größten Mond des Jupiter.
„Im Grunde haben wir einen gepanzerten Panzer entworfen und gebaut“, sagte Scott J. Bolton vom Southwest Research Institute in San Antonio, der der Hauptermittler der Mission ist. “Und es hat funktioniert.”
Jupiter ist im Wesentlichen ein großer Ball aus hauptsächlich Wasserstoff, aber es hat sich als ziemlich komplizierter Ball herausgestellt. Zu den Entdeckungen der Mission gehören Blitze, die höher liegen als für möglich gehalten, Ringe stabiler Stürme am Nord- und Südpol und Winde, die sich so tief ins Innere erstrecken, dass sie die Magnetfelder des Planeten umkreisen könnten.
“Ich denke, dies war eine Offenbarung”, sagte David J. Stevenson, Professor für Planetenwissenschaften am California Institute of Technology und Co-Ermittler der Mission.
Junos stark elliptische Bahn, die in einem fast 90-Grad-Winkel zu den Umlaufbahnen der Jupitermonde geneigt ist, führt über den Nord- und Südpol des Planeten. Auf jeder Umlaufbahn stürzt Juno ein und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 130.000 Meilen pro Stunde, während sie innerhalb weniger tausend Meilen an den Wolken des Jupiter vorbeizieht.
Ein frühes Problem mit dem Antriebssystem führte dazu, dass die Missionsleiter auf eine Triebwerkszündung verzichteten, die die Umlaufbahn von 53 Tagen auf 14 Tage verkürzt hätte. Die Wissenschaftler der Mission mussten geduldiger sein, aber das ist ein Segen geworden.
In der ursprünglichen Zeitleiste hätte Juno seine Arbeit bis Anfang 2018 abgeschlossen. Mit den trägeren Flugbahnen der Raumsonde können Forscher Veränderungen in und um Jupiter beobachten, die sie möglicherweise verpasst hätten, wenn die Mission früher abgeschlossen wäre.
Die zusätzlichen Umlaufbahnen der erweiterten Mission werden auch weitere Untersuchungen der Geheimnisse ermöglichen, die Juno enthüllt hat, wie die Ringe von Stürmen am Nord- und Südpol – acht Stürme um den Nordpol, fünf um den Südpol.
An einer Stelle sah es so aus, als ob ein sechster Sturm am Südpol in die Gruppe eindringen würde, aber dann wurde er weggedrückt.
„Es ist wie bei fünf Tyrannen auf dem Spielplatz, oder?“ sagte Candice J. Hansen-Koharcheck, Wissenschaftlerin am Planetary Science Institute in Tucson, Arizona, die für den Betrieb der Primärkamera JunoCam der Raumsonde verantwortlich ist. “Oh nein, du kannst nicht an unserem Spiel teilnehmen.”
Warum scheinen die Stürme, die jahrelang andauern und alle einen Durchmesser von etwa 2.500 Meilen haben, in ihrer Zahl konstant zu bleiben?
Zwei Stürme würden problemlos in eine Polarregion passen, ohne sich gegenseitig zu stören, sagte Yohai Kaspi, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften am Weizmann Institute of Science in Israel und Co-Ermittler der Mission. „Aber wenn Sie 100 hätten, wäre das zu knapp und sie wären nicht stabil“, sagte er. “Es gibt diese magische Zahl, die sie fit machen kann.”
Die atmosphärischen Muster in der oberen Hälfte des Jupiter unterscheiden sich von denen in der unteren Hälfte. „Wir haben ein bisschen mit unterschiedlicher Dynamik des Nordens und des Südens getestet“, sagte er, um zu verstehen, warum die beiden Pole unterschiedlich viele Stürme haben.
Wissenschaftler werden sich in den kommenden Jahren die acht Stürme an der Spitze des Jupiter genauer ansehen. Jupiters immense Gravitation zerrt an der Umlaufbahn von Juno, so dass die nächsten Annäherungen der Raumsonde – was die Wissenschaftler als Perijoves bezeichnen – nicht mehr über dem Äquator stattfinden, sondern nach Norden wandern. Am Ende der erweiterten Mission wird die Umlaufbahn auf einem Breitengrad stattfinden, der dem entspricht, wo St. Petersburg, Russland, auf der Erde liegt.
Diese Umlaufbahnen werden auch genauere Beobachtungen der verblüffenden Blitze hoch in der Atmosphäre ermöglichen.
Die bunten, wirbelnden Streifen des Jupiter sind nur die Spitzen der höchsten Wolken, die aus gefrorenen, mit Ruß überzogenen Ammoniakkristallen bestehen. Aber die Wasserwolken des Jupiter – wo die von früheren Raumfahrzeugen beobachteten Blitze zu entstehen schienen – sind 30 bis 40 Meilen tiefer als die Wolkenspitzen. Innerhalb der Wasserwolken treten Blitze wahrscheinlich ähnlich wie bei Gewittern auf der Erde auf, die durch die Kollision von Wassertröpfchen mit Eiskristallen angeheizt werden, die sich elektrisch aufladen.
Aber die schwachen, noch nie zuvor entdeckten Blitze, die Juno entdeckte, waren höher in der Atmosphäre, wo die Temperaturen von etwa minus -125 Grad Fahrenheit viel zu kalt sind, als dass Wasser flüssig bleiben könnte.
Als sie die Blitze zum ersten Mal sah, war die Reaktion von Heidi N. Becker, einer Wissenschaftlerin am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Kalifornien, die die Strahlenüberwachungsforschung von Juno leitet, „Oh oh, was ist los?“
Der Schlüssel zur Lösung dieses Mysteriums war Ammoniak in der Atmosphäre, das als Frostschutzmittel wirkte.
„Jupiter hat unglaublich heftige Stürme, die Wassereispartikel mit einer Geschwindigkeit von 160.200 Meilen pro Stunde von unten aufschleudern und in diese sehr großen Höhen gelangen können“, sagte Dr. Becker.
Hoch oben vermischen sich die Wassereiskristalle mit den Ammoniakdämpfen und schmelzen. Die Wasser-Ammoniak-Tröpfchen kollidieren dann mit zusätzlichen Eiskristallen, die von unten nach oben geschleudert werden, und bauen elektrische Ladung auf, um Blitze zu erzeugen.
Scheinbar paradoxerweise ist Ammoniak auch der Schlüssel zur Erklärung, warum es in denselben Teilen der Atmosphäre, in denen der Blitz auftritt, so wenig Ammoniak gibt. Wissenschaftler hatten erwartet, dass unter den Ammoniak-Eiswolken die aufgewühlten Winde des Jupiter das Ammoniakgas gleichmäßig in der Atmosphäre vermischen würden.
“Aber das ist nicht das, was passiert”, sagte Tristan Guillot, Forschungsdirektor am Observatorium der Côte d’Azur in Frankreich und Co-Ermittler der Mission. „Wir haben Regionen bis zu 200 Kilometer darunter oder vielleicht mehr, die viel weniger Ammoniak enthalten als andere Regionen.“
Dies scheint durch Regengüsse von Mushballs verursacht zu werden – viskose, klebrige Ansammlungen von der Größe von Baseballs.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Ammoniak-Wasser-Tröpfchen nicht als kleine Tröpfchen zurückbleiben. Stattdessen wachsen sie weiter, bis sie zu schwer sind, um in der Luft zu bleiben. „Wie große Hagelkörner auf der Erde“, sagte Dr. Stevenson.
Wissenschaftler glauben, dass die regnenden Breibälle einen Großteil des Ammoniaks in die tieferen Bereiche der Jupiteratmosphäre tragen.
Die Mission hat das Verständnis des Großen Roten Flecks verbessert und gezeigt, dass sich der ikonische Riesensturm, der seit Jahrhunderten anhält, mehr als 300 Kilometer tief in die Atmosphäre des Jupiter erstreckt, und hat zur Entdeckung einer neuen Region geführt, die Wissenschaftler das Große Blau nennen call Stelle.
Es ist nicht wirklich blau; Der Name ist ein Artefakt des Farbschemas, das bei der Kartierung des Jupiter-Magnetfelds verwendet wird. Tatsächlich geben Fotografien keine sichtbaren Hinweise auf den Großen Blauen Fleck. Die dunkelblaue Region in der magnetischen Karte zeigt nur einen Zusammenfluss unsichtbarer magnetischer Feldlinien an, die an diesem Punkt in Jupiter eintreten – fast ein zweiter Südpol, der in der Nähe des Äquators herausragt.
Kimberly M. Moore, Postdoktorandin am Caltech, verglich Junos magnetische Messungen mit Beobachtungen früherer Raumsonden, um zu sehen, wie sich die Magnetfelder im Großen Blauen Fleck im Laufe der Jahrzehnte verändert haben.
Es scheint, dass die Mitte des Großen Blauen Flecks von einem Windstoß nach Westen geblasen wird, während Ostwinde den oberen und unteren Teil des Flecks in die entgegengesetzte Richtung scheren.
Das würde darauf hindeuten, dass die Winde des Jupiter weit unter die Wolkenobergrenzen reichen, bis hin zu Regionen, in denen Druck und Temperatur hoch genug sind, um Wasserstoff in einen elektrischen Leiter zu verwandeln. Elektrische Ströme erzeugen magnetische Felder.
Die Stärke der Magnetfelder innerhalb des Großen Blauen Flecks ändert sich um bis zu einem Prozent pro Jahr – sie wird an manchen Stellen stärker, an anderen schwächer. Bis zum Ende der erweiterten Mission im Jahr 2025 wird Dr. Moore fast ein Jahrzehnt an Daten haben, um ihre Hypothese zu testen, die in dieser Zeit Änderungen von bis zu 10 Prozent vorsieht. „Das sagt unser Modell voraus, und wir wollen es testen“, sagte sie.
Die Wissenschaftler werden wahrscheinlich auch auf neue Geheimnisse stoßen. Der Große Blaue Fleck liegt ungefähr auf dem gleichen Breitengrad wie der Große Rote Fleck. Handelt es sich bei den beiden um verwandte oder getrennte Phänomene?
“Die Tatsache, dass sie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten reisen, deutet darauf hin, dass es wahrscheinlich unwahrscheinlich ist, dass sie verwandt sind”, sagte Dr. Moore. „Aber vielleicht gibt es eine Art Kausalmechanismus. Es ist schließlich alles nur ein flüssiger Planet.“
Während der erweiterten Mission wird Juno auch an drei der großen Monde des Jupiter vorbeifliegen.
Letzte Woche lieferte Juno Wissenschaftlern die erste Nahaufnahme seit mehr als 20 Jahren von Ganymed, dem größten der Jupitermonde. Mit einer Breite von mehr als 3.200 Meilen ist Ganymed größer als der Planet Merkur und der einzige Mond, von dem bekannt ist, dass er ein eigenes Magnetfeld erzeugt.
Dr. Hansen-Koharcheck wird Bilder von Ganymed von Juno mit älteren Bildern vergleichen. Teile der Oberfläche sind durch Rillen gekennzeichnet, die oft auf eisigen Monden zu sehen sind. Obwohl sich unter der eisigen Kruste des Mondes immer noch ein Ozean aus flüssigem Wasser befindet, wird angenommen, dass das Eis mehr als 100 Kilometer dick ist, und Ganymeds Rillen bildeten sich höchstwahrscheinlich vor einigen Milliarden Jahren, als die Oberfläche wärmer und biegsamer war, sagte Dr. Hansen -Koharcheck sagte.
„Es ist sehr unwahrscheinlich, dass das Rillengelände jetzt mit diesem Wassermantel in Verbindung steht“, sagte sie. „Aber wenn wir es finden würden, würde ich auch schreiend auf und ab hüpfen.“
Die Magnetfelder um Ganymed könnten eine interessantere Geschichte erzählen. Im Inneren fließt vermutlich noch geschmolzenes Eisen, um eine Magnetfeldblase zu erzeugen, die Magnetosphäre genannt wird, ähnlich der, die die Erde vor dem Wind geladener Teilchen der Sonne schützt.
„Wir haben mit diesem Vorbeiflug eine wirklich ausgezeichnete Gelegenheit, direkt durch ihn zu gehen“, sagte Frances Bagenal, Professorin für Astrophysik und Planetenwissenschaften an der University of Colorado, Boulder und Co-Ermittlerin der Mission.
Die Beobachtungen der Felder von Ganymed und wie sie sich mit denen des Jupiter verflechten, werden dazu beitragen, zu beleuchten, wie sich eine dünne Atmosphäre geladener Teilchen um den Mond bildet, wie die geladenen Teilchen leuchtende Polarlichter erzeugen und wie einige der geladenen Teilchen direkt zwischen Jupiter und Ganymed wandern. Infrarotmessungen werden Konzentrationsschwankungen von Wassermolekülen zeigen, die durch den Beschuss von Partikeln aus dem Eis herausgelöst werden.
Juno wird Ganymede nicht wieder so nahe passieren, aber sie wird zwei andere große und sehr unterschiedliche Monde im Vorbeiflug machen.
Einer dieser Monde, Io, ist eine höllische Welt, die im Sonnensystem am vulkanischsten aktiv ist. Junos Infrarot-Instrument wird Hotspots auf Io präziser messen als frühere Raumfahrzeuge.
„Risse in der Oberfläche und es gibt viele Lavaflüsse, so ähnlich“, sagte Alessandro Mura vom Nationalen Institut für Astrophysik in Rom, der das Infrarot-Mapping-Instrument von Juno leitet.
Der andere Mond, den es besuchen wird, Europa, ist mit Eis bedeckt, darunter ein tiefer Ozean. Europa gilt als einer der vielversprechendsten Orte, um anderswo im Sonnensystem nach Leben zu suchen.
Auf der Europa wird JunoCam auf die Trennlinie zwischen Tag und Nacht ausgerichtet. In den letzten Jahren haben Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops auf Eruptionen von Wasserdampf aus dem Ozean hingewiesen, der durch die eisige Oberfläche bricht. Die Hoffnung ist, dass JunoCam zufällig eine Wasserfahne einfängt, die von Sonnenlicht im Hintergrund beleuchtet wird.
„Das ist eine wirklich, wirklich gute Möglichkeit, nach Eruptionen zu suchen“, sagte Dr. Hansen-Koharcheck. Die gleiche Technik entdeckte einen Vulkanausbruch auf Io.
Europas Eispanzer ist dünner als der von Ganymed, daher sind die Chancen höher, eine glatte Stelle zu finden, an der kürzlich Wasser oder gefrorener Dampf auf die Oberfläche ausgebrochen ist. „Wir würden nach Oberflächenablagerungen suchen, die frisch oder besonders hell aussehen könnten“, sagte Dr. Hansen-Koharcheck.
All dies wäre ohne diesen Antriebsfehler möglicherweise nicht möglich gewesen. Hätte die Raumsonde Jupiter alle 14 statt 53 Tage umkreist, wäre Juno möglicherweise nicht in der Lage gewesen, die Vorbeiflüge an den Monden durchzuführen.
“Ich denke, es war ein Zufall”, sagte Dr. Bolton.
