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.

 

 

Kaukaisin havainto galaksin magneettikentästä

eso2316fi — Tutkimustiedote 6. syyskuuta 2023.

Tähtitieteilijät ovat havainneet ALMA-teleskoopilla (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) galaksin magneettikentän niin kaukana, että sen valolta on kestänyt yli 11 miljardia vuotta saavuttaa meidät. Näemme galaksin sellaisena kuin se oli maailmankaikkeuden ollessa vain 2,5 miljardia vuotta vanha. Tutkimus antaa tähtitieteilijöille tärkeää tietoa siitä, miten oman Linnunratamme kaltaisten galaksien magneettikentät saivat alkunsa.

Tämä kuva esittää kaukaisen 9io9-galaksin magneettikentän suuntia ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli vain 20 % nykyisestä iästään. Havainto on kaikkein kaukaisin galaksin magneettikentän havainto. Havainnot tehtiin ALMA-teleskoopilla (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array), jossa ESO on kumppanina. 9io9:n sisällä olevat pölyhiukkaset ovat jokseenkin linjassa galaksin magneettikentän kanssa, ja tästä johtuen ne emittoivat polarisoitunutta valoa, mikä tarkoittaa, että valoaallot värähtelevät ennemmin tiettyyn suuntaan kuin sattumanvaraisesti. Tähtitieteilijät pystyivät selvittämään ALMA:n polarisaatiohavainnoilla kohteen magneettikentän suunnan. Magneettikentän suunnat näkyvät kuvassa ALMA-kuvan päällä kaarevina viivoina.

Galaksi 9io9:n magneettisesti suuntautuneen pölyn lähettämä polarisoitunut säteily on äärimmäisen himmeää ollen vain noin yksi prosentti galaksin kokonaiskirkkaudesta. Tutkimusryhmää auttoi se, että vaikkakin 9io9 on hyvin kaukana meistä, niin kohteen kuva suurentui gravitaatiolinssinä tunnetun ilmiön vaikutuksesta. Tämä tapahtuu, kun kaukaisesta galaksista, tässä tapauksessa 9io9:stä, tuleva valo näkyy kirkkaampana ja vääristyneenä, kun etualalla olevan hyvin suuren kohteen gravitaatio taivuttaa valon kulkureittiä. Kuva: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/J. Geach et al.

Monilla tähtitieteen kohteilla on magneettikenttä, olivatpa ne planeettoja, tähtiä tai galakseja. "Useat ihmiset eivät ehkä ole tietoisia siitä, että koko galaksimme ja muut galaksit ovat täynnä magneettikenttiä, jotka ulottuvat kymmenien tuhansien valovuosien etäisyyksille", sanoi James Geach, astrofysiikan professori Hertfordshiren yliopistossa, Isossa-Britanniassa, ja tänään Naturessa julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja.

"Tiedämme itse asiassa hyvin vähän siitä, miten nämä kentät muodostuvat, vaikka ne ovatkin varsin perustavanlaatuisia galaksien kehittymisessä", lisäsi Stanfordin yliopiston tutkija Enrique Lopez Rodriguez, joka myös oli mukana tutkimuksessa. Ei ole selvää, kuinka varhaisessa vaiheessa ja kuinka nopeasti galaksien magneettikentät muodostuvat, koska tähtitieteilijät ovat tähän mennessä tutkineet vain meitä lähellä olevien galaksien magneettikenttiä.

Geach ja hänen tutkimusryhmänsä ovat nyt käyttäneet ALMA:a, jossa Euroopan eteläinen observatorio (ESO) on mukana kumppanina, ja löytäneet kaukaisesta galaksista täysin kehittyneen magneettikentän, joka on rakenteeltaan samanlainen kuin lähigalakseissa havaitut. Magneettikentän voimakkuus on noin tuhannesosa Maan magneettikentästä, mutta ulottuu yli 16 000 valovuoden päähän.

"Tämä löytö antaa meille uusia vihjeitä siitä, miten galaktisen mittakaavan magneettikentät muodostuvat", Geach kertoi. Täysin kehittyneen magneettikentän havaitseminen näin varhaisessa vaiheessa maailmankaikkeuden historiaa osoittaa, että koko galaksin alueelle ulottuvat magneettikentät voivat muodostua nopeasti nuorten galaksien vielä kasvaessa.

Tutkimusryhmä uskoo, että varhaisen maailmankaikkeuden voimakkaalla tähtienmuodostuksella olisi voinut olla merkitystä nopeuttamassa magneettikenttien kehitystä. Lisäksi nämä kentät voivat puolestaan vaikuttaa myöhempien tähtisukupolvien muodostumiseen. Yksi artikkelin kirjoittajista ja ESO:n tähtitieteilijä Rob Ivison sanoi löydön avaavan "uuden ikkunan galaksien sisäiseen toimintaan, koska magneettikentät ovat yhteydessä uusia tähtiä muodostavaan materiaan".

Tutkimuksessa ryhmä etsi kaukaisen galaksin 9io9 ^[1]  pölyhiukkasten emittoimaa valoa. Galaksit ovat täynnä pölyä, ja magneettikentässä sähkövarautuneet tai magneettiset hiukkaset pyrkivät asettumaan kentän suuntaisesti ja niiden lähettämä valo polarisoituu. Tämä tarkoittaa sitä, että valoaallot värähtelevät mieluummin tiettyyn suuntaan kuin satunnaisesti. Kun ALMA havaitsi ja kartoitti 9io9:stä tulevaa polarisoitunutta säteilyä, saatiin hyvin kaukaisen galaksin magneettikentän läsnäolo vahvistettua ensimmäistä kertaa.

"Mikään muu teleskooppi ei olisi pystynyt tähän", Geach sanoi. Toiveena on, että tämän ja tulevien kaukaisten magneettikenttien havaintojen myötä mysteeri siitä, miten nämä galaksien perusominaisuudet muodostuvat alkaisi selvitä.

 

Lisätietoa

[1] 9io9 löydettiin kansalaistiedeprojektin aikana. Brittiläisen BBC:n televisio-ohjelman "Stargazing Live":n katsojat olivat löydössä apuna. Vuonna 2014 yleisöä pyydettiin tutkimaan kolmena iltana miljoonia kuvia kaukaisten galaksien metsästämiseksi.

Uuden tyyppinen tähti antaa vihjeitä magnetarien arvoitukselliselle alkuperälle

eso2313fi — Tutkimustiedote 17. elokuuta 2023

Magnetarit ovat maailmankaikkeuden vahvimpia magneetteja. Nämä ovat supertiheitä energiaa tuottamattomia tähtiä, joilla on ultravahvat magneettikentät. Magnetareja on ympäri galaksiamme, mutta tähtitieteilijät eivät tiedä tarkalleen, miten ne muodostuvat. Tutkijat ovat nyt löytäneet yhden aktiivisen tähden, josta todennäköisesti tulee magnetari. Löydössä on käytetty useita teleskooppeja ympäri maailman, mukaan lukien Euroopan eteläisen observatorion ESO:n havaintopaikat. Havainto tarkoittaa uudentyyppisen tähtitieteen kohteen: massiivisten magneettisten heliumtähtien löytämistä. Löytö auttaa myös magnetarien alkuperän selvittämisessä.

 

Taiteilijan näkemys magnetarista ja sen voimakkaasta magneettikentästä. HD 45166 on osa kaksoistähtijärjestelmää. Taustalla on HD 45166:n kumppani, joka on tavallinen sininen tähti. Sen on havaittu kiertävän paljon suuremmalla etäisyydellä kuin aiemmin on raportoitu. Kuva: ESO/L. Calçada

 

Huolimatta siitä, että tähteä HD 45166 on havaittu yli 100 vuoden ajan, sen arvoituksellista toimintaa ei olla kyetty selittämään tavanomaisilla malleilla. Siitä tiedettiin aiemmin vain vähän. Tiedettiin, että se on toinen tähti kaksoistähdessä [1], siinä on runsaasti heliumia ja se on muutama kerta Aurinkoamme massiivisempi.

"Tästä tähdestä tuli pieni pakkomielteeni", sanoi Tomer Shenar, joka on tänään Science-lehdessä julkaistun tähteä koskevan tutkimuksen pääkirjoittaja ja tähtitieteilijä Amsterdamin yliopistossa Alankomaissa. 

"Tomer ja minä puhumme HD 45166:sta 'zombitähtenä' ", sanoi yksi artikkelin kirjoittajista, ja ESO:n tähtitieteilijä Julia Bodensteiner, jonka kotipaikka on Saksassa. "Tämä ei johdu vain siitä, että tämä tähti on niin ainutlaatuinen, vaan myös siitä, että sanoin leikillisesti, että se muuttaa Tomerin zombiksi".

Tutkittuaan aiemmin samanlaisia heliumpitoisia tähtiä Shenar ajatteli, että magneettikentät voisivat olla tärkeässä roolissa. Magneettikenttien tiedetään vaikuttavan tähtien käyttäytymiseen, ja ne voisivat selittää, miksi HD 45166:ta ei olla kyetty kuvaamaan perinteisillä malleilla. Tähti sijaitsee noin 3 000 valovuoden päässä Yksisarvisen tähdistössä. "Muistan Heureka-hetken lukiessani kirjallisuutta: 'Entä jos tähti on magneettinen?', sanoi Shenar, joka toimii tällä hetkellä astrobiologian keskuksessa Madridissa, Espanjassa.

Shenar ja hänen tutkimusryhmänsä päättivät tutkia tähteä useilla tutkimusyksiköillä ympäri maailman. Tärkeimmät havainnot tehtiin helmikuussa 2022 Canada-France-Hawaii-teleskoopilla, jolla voidaan havaita ja mitata magneettikenttiä. Tutkimusryhmä käytti myös ESO:n Chilessä sijaitsevan La Silla observatorion Fiber-Fed Extended Range Optical Spectrograph, eli FEROS-instrumentin arkistoaineistoa.

Kun havainnot oli tehty, Shenar pyysi kolleega Gregg Wadea, Kanadan kuninkaallisen sotakorkeakoulun tähtien magneettikenttien asiantuntijaa, tutkimaan havaintoaineistoa. Waden vastaus vahvisti Shenarin aavistuksen: "Kuule kaveri, olipa tämä mikä tahansa, niin se on ehdottomasti magneettinen".

Shenarin tutkimusryhmä oli havainnut, että tähdellä on uskomattoman voimakas magneettikenttä 4,3 T (Teslaa). Tämän ansiosta HD 45166 on tähän mennessä löydetyistä massiivisista tähdistä kaikkein magneettisin [2]. "Heliumtähden koko pinta on yhtä magneettinen kuin voimakkaimmat ihmisten tekemät magneetit", yksi tutkimuksen tekijöistä Pablo Marchant, tähtitieteilijä KU Leuvenin tähtitieteen instituutista Belgiasta, kertoi. 

Tämä havainto merkitsee ensimmäisen massiivisen magneettisen heliumtähden löytymistä. "On jännittävää löytää uudenlainen tähtitieteen kohde", Shenar sanoi, "varsinkin kun se on periaatteessa ollut näkyvillä koko ajan".

Lisäksi se antaa lisää tietoa magnetarien alkuperästä, joiden magneettikentät ovat vähintään miljardi kertaa vahvempia kuin HD 45166:ssa. Tutkimusryhmän laskelmat viittaavat siihen, että tämä tähti päätyy lopulta magnetariksi. Tähden romahtaessa oman painovoimansa alla sen magneettikenttä vahvistuu, ja tähdestä tulee lopulta hyvin tiheä ydin, jonka magneettikenttä on noin 10 miljoonaa Teslaa tehden siitä maailmankaikkeuden voimakkaimman magneetin.

Shenar ja hänen tutkimusryhmänsä havaitsivat myös, että HD 45166:n massa on aiemmin raportoitua pienempi, noin kaksi kertaa Auringon massainen. Lisäksi sen tähtipari kiertää paljon suuremmalla etäisyydellä kuin aiemmin uskottiin. Heidän tutkimuksensa myös osoittavat, että HD 45166 muodostui kahden pienemmän heliumpitoisen tähden yhdistyessä. "Tuloksemme muokkaavat täysin käsitystämme HD 45166:sta", totesi Bodensteiner lopuksi.

Lisähuomiot

[1] Vaikka HD 45166 on kaksoistähtijärjestelmä, niin tässä tekstissä HD 45166 viittaa vain heliumpitoiseen tähteen, ei molempiin.

[2] 4,3 Teslan vahvuinen magneettikenttä on voimakkain magneettikenttä, joka on koskaan havaittu Chandrasekhar-massarajan ylittävässä tähdessä. Massaraja on kriittinen raja, jonka ylittyessä tähdet saattavat luhistua neutronitähdiksi (magnetarit ovat tietyn tyyppisiä neutronitähtiä).

[3] Tämä tutkimus on esitelty artikkelissa, joka julkaistaan Science-lehdessä

(doi: science.org/doi/10.1126/science.ade3293).