Webb paljastaa uusia yksityiskohtia ja mysteerejä Jupiterin revontulessa

NASA/ESA/CSA weic2510 — Science Release

NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskooppi on taltioinut aurinkokuntamme suurimman planeetan revontulien uusia yksityiskohtia. Jupiterissa havaitut revontulet ovat satoja kertoja kirkkaampia kuin maapallolla. Webbin herkkyyden avulla tähtitieteilijät ovat tutkineet ilmiöitä ymmärtääkseen paremmin Jupiterin magnetosfääria.

Nämä havainnot Jupiterin revontulista (kuvassa vasemmalla) on otettu Webbin Near-InfraRed-kameralla (NIRCam) 25. joulukuuta 2023 (F335M-suodatin). Tutkijat havaitsivat, että kolmivetyionin emissio on paljon vaihtelevampaa kuin aiemmin on uskottu. H⁺₃ syntyy, kun korkeaenergiset elektronit törmäävät molekyylivetyyn. Koska tämä emissio loistaa kirkkaasti infrapunaisella aallonpituudella, Webbin instrumentit pystyvät havaitsemaan sitä. Oikealla olevassa kuvassa on Jupiter osoittamassa havaittujen revontulien sijaintia.

Kuva: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatory of Paris), Leigh Fletcher (University of Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI), J. Nichols (University of Leicester), M. Zamani (ESA/Webb).

 

Revontulet Jupiterissa syntyvät, kun korkeaenergiaiset hiukkaset pääsevät planeetan kaasukehään sen magneettinapojen lähelle ja törmäävät kaasuatomeihin. Paitsi että Jupiterin revontulet ovat valtavan kokoisia, ne ovat myös satoja kertoja energisempiä kuin Maassa. Täällä reposet johtuvat aurinkomyrskyistä, jolloin varautuneet hiukkaset törmäävät yläilmakehään, virittävät atomit ja saavat ne hehkumaan punaisen, vihreän ja violetin värejä.

Samaa tapahtuu Jupiterilla mutta siellä on lisälähde revontulille: kaasujättiläisen voimakas magneettikenttä nappaa ympäristöstään varautuneita hiukkasia. Tähän sisältyvät aurinkotuulen sisällä olevien varautuneiden hiukkasten lisäksi myös sen kiertävän kuun Ion vulkaanien avaruuteen heittämät hiukkaset. Ion tulivuoret sylkevät hiukkasia, jotka poistuvat kuun gravitaatiokentästä ja päätyvät kiertämään Jupiteria. Myös Auringon aurinkomyrskyjen aikana sinkoamat varautuneet hiukkaset saavuttavat planeetan. Jupiterin suuri ja voimakas magneettikenttä vangitsee varautuneita hiukkasia ja kiihdyttää niitä valtaviin nopeuksiin. Nämä nopeat hiukkaset ja energiset hiukkaset iskeytyvät planeetan ilmakehään, mikä virittää kaasun atomit ja virityksen purkautuessa vapautuva energia näkyy revontulina.

Nyt Webbin ainutlaatuiset kyvyt tarjoavat uusia oivalluksia Jupiterin revontulista. Teleskoopin herkkyyden ansiosta tähtitieteilijät voivat käyttää lyhyempiä valotusaikoja nopeasti vaihtelevien revontulien piirteiden havaitsemiseksi. Webb:n avulla Jonathan Nicholsin johtama tutkijaryhmä (Leicesterin yliopistosta Iso-Britanniast keräsi uutta tietoa Near-InfraRed Camera (NIRCam) joulupäivänä 2023.

“Mikä joululahja se olikaan - se hämmästytti minut!” jaettu Nichols. “Halusimme nähdä, miten nopeasti revontulet vaihtuvat, ja odotimme, että ne hupenevat ja sammuvat hitaasti, ehkä noin varttitunnin aikana. Sen sijaan havaitsimme koko revontulialueen pörräävän ja poksahtelevan valossa, joka vaihteli joskus sekunnin välein”.

Tutkimusryhmän tiedot havaitsivat, että kolmeprotonisen vetyionin (H⁺₃), emissio on paljon vaihtelevampi kuin aiemmin uskottiin. Havainnot auttavat kehittämään tutkijoita ymmärtämään, miten Jupiterin yläilmakehä lämmitetään ja jäähdytetään. 

Tutkimusryhmä paljasti myös joitakin selittämättömiä havaintoja tiedoissaan.

“Mikä teki näistä havainnoista vieläkin erikoisempia, on se, että otimme myös samanaikaisesti ultravioletti kuvia Hubble Space Teleskooppilla” lisäsi Nichols. "Outoa kyllä, Webbin havaitsemalla kirkkaimmalla valolla ei ollut vastinetta Hubblen kuvissa. Tämä on jättänyt meidät raapimaan päätämme. Jotta sekä Webbin että Hubblen havaitsema kirkkausyhdistelmä syntyisi, tarvitaan ilmeisesti mahdoton yhdistelmä, jossa ilmakehään osuu suuria määriä hyvin matalaenergisiä hiukkasia! Emme vieläkään ymmärrä, miten tämä tapahtuu."

Ryhmä aikoo nyt tutkia tätä eroa Hubblen ja Webbin tietojen välillä ja tutkia laajempia vaikutuksia Jupiterin ilmakehään ja avaruusympäristöön. He aikovat myös seurata tätä tutkimusta lisää Webb-havaintoja, joita he voivat verrata NASAn Juno-avaruusaluksen tietoihin selvittääkseen paremmin arvoituksellisen kirkkaan emission syytä. Nämä oivallukset voivat myös tukea Euroopan avaruusjärjestön Jupiter Icy Moons Exploreria (Juice), joka on matkalla Jupiteriin tekemään yksityiskohtaisia havaintoja jättimäisestä kaasuplaneetasta ja sen kolmesta suuresta valtamerellistä kuusta: Ganymedes, Callisto ja Europa. Nämä lähimittaukset auttavat meitä ymmärtämään, miten planeetan magneettikenttä ja ilmakehä ovat vuorovaikutuksessa, sekä Ion ja muiden kuiden varautuneiden hiukkasten vaikutusta Jupiterin ilmakehään.

Tulokset tutkimuksista julkaistiin 12. toukokuuta 2025 Nature Communications -verkkojulkaisussa (vapaasti luettavassa).

 

Lisätietoja

Webb on NASAn, ESAn ja Kanadan avaruusjärjestön (CSA) kansainvälisen kumppanuusohjelman toistaiseksi suurin avaruusteleskooppi.

 

 

SPHEREx aloittaa tehtävänsä

NASAn uusi maailmakaikkeuttahavaitseva tutkimusluotain SPHEREx on valmistunut ja sen on määrä lähteä avaruuteen helmikuun 27. päivänä yhdessä PUNC-avaruusobservatorioiden kanssa SpaceX yhtiön Falcon 9 kantoraketilla. Lähtöpaikka on Vandenberg Space Force Base Kaliforniassa.

Havainnekuva SPHEREx -observatoriosta Maata kiertävällä radalla. Kuva NASA/JPL.

Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer (SPHEREx) -tehtävä on suunniteltu kaksivuotiseksi, ja sen rahoitus on 242 miljoonaa dollaria (ei sisällä laukaisukustannuksia).

Observatorio tekee havaintoja sekä optisessa että lähi-infrapuna-valossa. Tähtitieteilijät keräävät tehtävän avulla tietoja yli 450 miljoonasta galaksista sekä yli 100 miljoonasta tähdestä omassa Linnunradassamme. Jotkut kohteet ovat niin kaukana, että niiden valo on kestänyt 10 miljardia vuotta saapuakseen Maahan. Linnunradasta kartoitetaan vettä ja orgaanisia molekyylejä tähtijoukoista ja erityisesti tähtien syntymisalueilta.

Tavoitteet

SPHEREx tekee havainnot koko taivaan alalta kuuden kuukauden välein käyttäen Maan satelliiteista ja Marsin avaruusaluksista omaksuttuja tekniikoita. Tehtävä luo kartan koko taivaasta 102 eri aallonpituusalueilta, mikä ylittää huomattavasti aiempien koko taivaan kattavien karttojen aallonpituuksien määrän. Se myös yksilöi kohteita, joita voidaan havaita yksityiskohtaisemmin muilla avaruusobservatorioilla, kuten NASAn James Webb -avaruusteleskoopilla ja Wide Field Infrared Survey Telescope -teleskoopilla.

SPHEREx on NASA:n Medium Explorer -tehtävä, jonka tarkoituksena on

· kartoittaa inflaation fysiikkaa mittaamalla inflaation jälkiä aineen kolmiulotteisessa laajamittaisessa jakautumisessa
· jäljittää galaktisen valontuotannon historiaa mittaamalla syvällä monikaistaisella mittauksella suuren mittakaavan klusteroitumista
· tutkia veden ja biogeenisten jäiden runsautta ja koostumusta tähtien ja planeettakiekkojen muodostumisen alkuvaiheissa.

SPHERExillä saadaan lähi-infrapunan 0,75 – 5,0 µm:n spektrejä koko taivaalta. Se toteuttaa yksinkertaisen instrumenttirakenteen, jossa on yksi havaintomoodi, jolla kartoitetaan koko taivas neljä kertaa sen nimellisen 25 kuukauden mittaisen tehtävän aikana. SPHERExillä on myös vahvaa tieteellistä synergiaa muiden operaatioiden ja observatorioiden kanssa, ja sen tuloksena syntyy rikas spektriarkisto, josta on hyötyä lukuisissa tieteellisissä tutkimuksissa.

SPHEREx-avaruusteleskooppi valottaa inflaatioksi kutsuttua kosmista ilmiötä.

Ensimmäisen 10^-36 sekunnin aikaan alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeuden koko kasvoi 10²⁴ -kertaiseksi. Tämä inflaatioksi kutsuttu lähes hetkellinen tapahtuma tapahtui lähes 14 miljardia vuotta sitten, ja sen vaikutukset näkyvät nykyään universumin aineen laajamittaisessa jakautumisessa. Kartoittamalla yli 450 miljoonan galaksin jakautumisen SPHEREx auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin tämän äärimmäisen kosmisen tapahtuman taustalla olevaa fysiikkaa.

Observatorio mittaa lähellä ja kaukana sijaitsevien galaksien yhteistä loistetta.

Tutkijat ovat yrittäneet arvioida kaikkien galaksien kokonaisvalotehoa kosmisen historian aikana tarkkailemalla yksittäisiä galakseja ja ekstrapoloimalla ne maailmankaikkeuden triljooniin galakseihin. SPHEREx-avaruusteleskooppi käyttää toisenlaista lähestymistapaa ja mittaa kaikkien galaksien kokonaisvalonhehkua, mukaan lukien galaksit, jotka ovat liian pieniä, liian hajanaisia tai liian kaukana, jotta muut teleskoopit voisivat helposti havaita niitä. Yhdistämällä tämän kokonaishehkun mittaaminen muiden teleskooppien yksittäisiä galakseja koskeviin tutkimuksiin tutkijat saavat täydellisemmän kuvan kaikista maailmankaikkeuden tärkeimmistä valonlähteistä.

Linnunradasta etsitään elämän keskeisiä rakennusaineita.

Elämää sellaisena kuin me sen tunnemme, ei olisi olemassa ilman veden ja hiilidioksidin kaltaisia perusaineita. SPHEREx-observatorio on suunniteltu etsimään näitä molekyylejä jäätyneinä tähtienvälisissä kaasu- ja pölypilvissä, joissa tähdet ja planeetat muodostuvat. Tehtävä määrittää näiden jäisten yhdisteiden sijainnin ja runsauden galaksissamme, mikä antaa tutkijoille paremman käsityksen niiden saatavuudesta vasta muodostuvien planeettojen raaka-aineissa.

Rakennekaavio SPHEREx:n suojakartiosta ja havaintolaitteistosta. Kuva NASA/JPL.

SPHEREx lisää NASAn avaruusteleskooppien ainutlaatuisia vahvuuksia.

NASAn Hubblen ja Webbin kaltaiset avaruusteleskoopit ovat zoomanneet maailmankaikkeuden moniin kolkkiin ja näyttäneet meille planeettoja, tähtiä ja galakseja korkealla resoluutiolla. Mutta joitakin kysymyksiä - kuten kuinka paljon valoa kaikki maailmankaikkeuden galaksit yhdessä säteilevät? - voidaan vastata vain tarkastelemalla kokonaisuutta. Tätä varten SPHEREx-observatorio tuottaa karttoja, jotka kattavat koko taivaan. SPHERExin havaitsemia tieteellisesti kiinnostavia kohteita voidaan sitten tutkia tarkemmin Hubblen ja Webbin kaltaisilla kohdennetuilla teleskoopeilla.

SPHEREx-observatorio tekee kaikkien aikojen värikkäimmän koko taivaan kartan.

SPHEREx-observatorio "näkee" infrapunavalon. Ihmissilmä ei voi havaita tätä aallonpituusaluetta, ja se on ihanteellinen tähtien ja galaksien tutkimiseen. Spektroskopiaksi kutsutun tekniikan avulla teleskooppi voi jakaa valon sen eri väreihin (yksittäisiin aallonpituuksiin) ja näin mitata kosmisten kohteiden etäisyyttä ja saada tietoa niiden koostumuksesta.

SPHERExin spektroskooppisen kartan avulla tutkijat voivat havaita todisteita galaksissamme olevista kemiallisista yhdisteistä, kuten vesijäästä. He eivät ainoastaan mittaa maailmankaikkeutemme galaksien lähettämän valon kokonaismäärää, vaan myös havaitsevat, kuinka kirkas tämä kokonaishehku oli kosmisen historian eri vaiheissa. Lisäksi he kartoittavat satojen miljoonien galaksien 3D-sijainnit tutkiakseen, miten inflaatio on vaikuttanut maailmankaikkeuden nykyiseen laajamittaiseen rakenteeseen.

Avaruusaluksen kartiomainen rakenne auttaa sitä pysymään kylmänä ja näkemään heikot kohteet.

Tehtävän infrapunateleskoopin ja -ilmaisimien on toimittava noin –210 °C lämpötilassa. Tämä johtuu osittain siitä, että ne eivät pysty tuottamaan omaa infrapunavaloa, joka saattaisi peittää kosmisten lähteiden heikon valon. Kylmänä pitämiseksi ja samalla avaruusaluksen suunnittelun ja toiminnan yksinkertaistamiseksi SPHEREx käyttää täysin passiivista jäähdytysjärjestelmää - sähköä tai jäähdytysaineita ei käytetä normaalin toiminnan aikana. Keskeistä tämän saavutuksen mahdollistamisessa on kolme kartiomuotoista fotonisuojaa, jotka suojaavat teleskooppia Maan ja Auringon lämmöltä, sekä suojien alla oleva peilirakenne, joka ohjaa lämpöä laitteesta ulos avaruuteen. Nämä fotonisuojat antavat avaruusalukselle sen tunnusomaiset ääriviivat.

Havaintolaitteet

SPHEREx:n teleskoopin kaaviollinen rakenne. Valo kulkee pääpeilin M1 jälkeen kahden apupeilin  M2 ja M3 kautta. Sen jälkeen on edessä säteenjakaja joka jakaa aallonpituuden perusteella saapuvan valon eri havaintoinstrumentteihin. Yläkuvassa on teleskoopin kokoonpano ja kuvakentän jakaminen eri aallonpituuksiin kiinteiden suodattimien avulla. Kuva NASA/JPL.

SPHEREx on toteutettu yksinkertaisella ja vankalla rakenteella, joka maksimoi aallonpituuksien läpimenon. Tämä tapahtuu ilman liikkuvia osia, lukuun ottamatta aukon kannen kertaluonteista poistamista.

SPHERExin suunnittelussa käytetyt ominaisuudet ovat osoittautuneet tehokkaiksi aiemmissa tehtävissä, ja niihin kuuluvat muun muassa seuraavat:

· 20 cm:n täysalumiininen teleskooppi, jossa on laaja 3,5° x 11° laaja kuvakenttä, joka on jaettu kahdesti säteenjakajan kautta.
· Kuusi 2K x 2K HgCdTe-ilmaisinrivistöä. Nämä H2RG-matriisit on hyväksytty James Webb -avaruusteleskoopin avaruushavaintoja varten, ja ne perustuvat pitkään menestyksekkääseen historiaan avaruuslaitteissa, joissa on käytetty pienempiä matriiseja.
· Kuusi lineaarista läpäisevää suodatinta (LVF) spektrien tuottamiseen. Kunkin lähteen spektri saadaan liikuttamalla teleskooppia LVF:n aallonpituuden vaihtelusuunnassa erillisin askelin. Tätä menetelmää demonstroitiin New Horizonsin LEISA-järjestelmällä, jolla saatiin erinomaisia spektrikuvia Jupiterista ja Plutosta.

Kansainvälinen yhteistyö

SPHERExin tutkija tohtori Jamie Bock johtaa tutkimusta. Kalifornian teknologiainstituutti ja Jet Propulsion Laboratory kehittävät SPHERExin hyötykuorman. Avaruusaluksen toimitti BAE Systems (aiemmin Ball Aerospace).

Korea Astronomy and Space Science Institute toimitti kryogeenisen testikammion, joka ei lennä. Tiedot asetetaan julkisesti saataville infrapunakäsittely- ja analyysikeskuksen kautta.

Caltech/JPL:n ja kansainvälisten tutkijoiden lisäksi SPHEREx-tiimiin kuuluu tutkijoita eri puolilta maata sijaitsevista yliopistoista ja tutkimuslaitoksista. Mukana ovat mm. UC Irvine, Ohion valtionyliopisto, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Arizonan valtionyliopisto, Arizonan yliopisto, Rochesterin teknillinen korkeakoulu, Argonnen kansallinen laboratorio ja Johns Hopkinsin yliopisto.