Astronomowie odkryli nowe zorze obserwowalne w spektrum widzialnym nad czterema największymi księżycami Jowisza: Io, Europą, Ganimedesem i Kallisto. Zorze ujawniają szczegóły składu cienkich atmosfer tych księżyców, w tym śladowe ilości tlenu i sodu, a jeszcze mniejsze pary wodnej.
Zespół badaczy dokonał tego odkrycia podczas obserwacji księżyców w cieniu największej planety Układu Słonecznego przy użyciu HIRES (High-Resolution Echelle Spectrometer) – spektrometru z Obserwatorium Kecka – oraz spektrografów o wysokiej rozdzielczości z Large Binocular Telescope (pol. Wielki Teleskop Dwuobiektywowy) i Obserwatorium Apache Point.
Ilustracja Jowisza i jego czterech największych księżyców.
Użycie cienia Jowisza jako osłony przeciwsłonecznej pozwoliło naukowcom zobaczyć blade zorze, spowodowane silnym polem magnetycznym planety, nieoświetlone jasnym światłem słonecznym odbijanym przez księżyce galileuszowe, nazwane na cześć ich odkrywcy – Galileusza.
„Obserwacje te są trudne, ponieważ w cieniu Jowisza księżyce są ledwie widoczne” – powiedziała Katherine de Kleer, profesor z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, autorka jednej z publikacji dokumentujących odkrycia zespołu – „Światło emitowane przez ich blade zorze jest dowodem na to, że skierowaliśmy teleskop w dobre miejsce”.
Wszystkie cztery księżyce galileuszowe mają tlenowe zorze, takie same jak te obserwowane na niebie z biegunów Ziemi. Jednakże, ponieważ gazy na księżycach Jowisza są rzadsze niż na Ziemi, zorze te mienią się na czerwono, w przeciwieństwie do ziemskich zielonych zórz.
Na Europie i Ganimedesie, który jest największym księżycem Układu Słonecznego, większym nawet niż planeta Merkury, zorze tlenowe są również widoczne w podczerwieni, tuż za czerwonym końcem spektrum widzialnego, zatem nie da się ich zobaczyć gołym okiem. To pierwszy raz, gdy to konkretne zjawisko zostało zaobserwowane w atmosferze ciała niebieskiego innego niż nasza planeta.
Ganimedes
Zorza na Io jest w różnokolorowe paski, prawdopodobnie wynika to z faktu, że księżyc ten jest obiektem uważanym za najbardziej aktywny wulkanicznie w Układzie Słonecznym. Gwałtowny wulkanizm sprawia, że smugi pyłu i gazu opuszczają powierzchnię Io, osiągając wysokości setek kilometrów. Smugi te zawierają sole, takie jak chlorek sodu czy chlorek potasu, których rozkład dodaje kolorów zorzy. Sód tworzy żółtopomarańczową poświatę, a zorza podczerwona spowodowana jest potasem.
„Jasność różnych kolorów zorzy mówi nam, z czego prawdopodobnie składa się atmosfera tych księżyców” – wyjaśniła de Kleer – „Okazuje się, że cząsteczki tlenu, takie jakimi oddychamy na Ziemi, są prawdopodobnie głównym składnikiem atmosfer lodowych księżyców”.
Brak pary wodnej
Obecnie naukowcy uważają, że na trzech najdalszych od Jowisza księżycach galileuszowych, Kallisto, Ganimedesie i Europie, znajdują się, pod grubymi lodowymi powierzchniami, oceany wody w stanie ciekłym. Są też dowody na to, że woda w atmosferze Europy, na której jest jej dwa razy więcej niż na Ziemi, może pochodzić z podpowierzchniowych oceanów lub ciekłych zbiorników w obrębie skorupy lodowej.
Obserwacje zespołu wykazały znikomą obecność pary wodnej. Wynik ten może wpłynąć na trwającą w astronomii debatę: czy atmosfery księżyców Jowisza są bogate w cząsteczki wody.
Wizja artystyczna zorzy tlenowej na Ganimedesie zaobserwowanej z Mauna Kea na Hawajach przy użyciu Teleskopów Kecka.
Io – charakteryzujący się silną aktywnością wulkaniczną trzeci co do wielkości księżyc Jowisza.
Skutkami właściwości pola magnetycznego Jowisza oraz jego ruchu obrotowego są zmiany jasności zórz. W dodatku atmosfery księżyców reagują na brak działania ciepłego światła słonecznego, gdy wchodzą w obszerny cień planety. Zespół był w stanie zaobserwować te zmiany, dzięki czemu otrzymujemy coraz pełniejszy obraz atmosfer księżyców galileuszowych.
„Sód na Io staje się bardzo słaby w przeciągu 15 minut od wejścia w cień Jowisza, lecz po pojawieniu się światła słonecznego powrót do poprzedniego stanu zajmuje kilka godzin” – powiedział Carl Schmidt, profesor astronomii na Uniwersytecie Bostońskim i autor drugiej publikacji – „Te nowe właściwości to odkrycia ważne dla zrozumienia chemii atmosfery Io. To wspaniale, że zaćmienia (księżyców) przez Jowisza oferują naturalne eksperymenty, dzięki którym dowiadujemy się, jak światło słoneczne wpływa na jego atmosferę”.
Badania zespołu zostały udokumentowane w dwóch pracach opublikowanych w The Planetary Science Journal.
