Na Jowisza!
Jowisz to prawdziwy gigant, masą przerastający niemal trzykrotnie łączną masę wszystkich skalistych (wewnętrznych) planet Układu Słonecznego. Nie jest zbyt gęsty: chociaż jego objętość wynosi ponad 1300 razy tyle co Ziemi, to masę ma zaledwie 318 razy większą od naszej planety. Gdyby był tylko 50 razy masywniejszy, stałby się gwiazdą, wprawdzie jeszcze niepełnoprawną – czyli tzw. brązowym karłem – ale już reakcje syntezy termojądrowej najlżejszych izotopów wodoru mogłyby w nim zaistnieć.
Dość dokładnie badały go i instrumenty z Ziemi, i z przelatujących stosunkowo blisko niego sond kierujących się dalej, ku zewnętrznym partiom Układu Słonecznego: sonda Pioneer odkryła wiele nowych księżyców tego ciała (których ma w sumie 64), Voyager – słabe pierścienie planety. Później blisko Jowisza przeleciał Ulysses, a współcześnie Cassini, New Horizons czy OSIRIS-REx. Wszystkie one jednak tylko mijały planetę, więc ich obserwacje były, po pierwsze, krótkie, po drugie – niezbyt dokładne.
Pierwszą misją wysłaną na orbitę olbrzyma był amerykański próbnik Galileo. Nastąpiło to w 1995 r. Ale choć Galileo operował na jowiszowej orbicie, to przede wszystkim miał badać jego największe księżyce. Dopiero teraz doczekaliśmy się misji stricte jowiszowej – w 2011 r. NASA wyniosła w kosmos sondę Juno, której celem było zbliżenie się do tej planety na rekordowo małą odległość. W lipcu 2016 r. Juno weszła na orbitę biegunową giganta i wciąż się na niej utrzymuje. Przez ten czas już wiele razy osiągała tzw. peryjowium, czyli punkt na orbicie największego zbliżenia do środka Jowisza. Kilka razy też znalazła się zaledwie 3,5 tys. km nad poziomem jowiszowych chmur. To istotnie niezwykle blisko. Zadaniem sondy jest dokładne zbadanie struktur atmosfery giganta, w tym atmosferycznych warstw niższych, rozkładu jego pola magnetycznego, grawitacji i mechanizmu niezwykle spektakularnych tutaj zórz polarnych. Sztab kierujący misją zebrał już ogrom danych, przy czym niektóre obserwacje rzeczywiście zapierają dech w piersiach.
Jowisz w „Nature”
Fascynujących doniesień okazało się tak wiele, że czasopismo „Nature” postanowiło w połowie kwietnia br. poświęcić badaniom Jowisza realizowanym przez sondę Juno aż cztery obszerne artykuły. W jednym z tekstów szef misji dr Scott Bolton z Southwest Research Institute w USA pisał tak: „Korzystając z danych zebranych przez Juno, sondę, która jest dopiero na początku swojej misji, już teraz możemy zaprezentować zupełnie nowy obraz Jowisza. Zmienia on niemal wszystko w naszym dotychczasowym rozumieniu planet olbrzymów w kosmosie. Dowodzi na przykład, że Jowisz, który tak często zachwyca nas swoją zróżnicowaną, podzieloną pasami atmosferą w części równikowej i okołorównikowej, jest też taki wewnątrz, znacznie poniżej obserwowanych zewnętrznych partii atmosfery”.
Udało się to ustalić dzięki dokładnemu zbadaniu dość specyficznej orbity Jowisza oraz śledzeniu sygnałów radiowych nadawanych przez Juno. To pozwoliło dokładniej określić grawitację planety i stwierdzić, że jej wewnętrzne struktury wykazują wyraźną asymetrię w porównaniu z zewnętrznymi. Charakterystyczne ciemne i jasne pasy w atmosferze Jowisza, które krążą z różnymi prędkościami, nie są wyłącznie zjawiskami pogodowymi i sięgają znacznie niżej, a mianowicie aż do głębokości ok. 3 tys. km. Tworzą coś w rodzaju głębokich prądów strumieniowych, bardzo trwałych i zawierających aż 1% masy całej planety. To bardzo dużo. Widzimy tylko ich zewnętrzne warstwy. Ale bliższe obserwacje kazały naukowcom uznać, że wpływa na nie coś głębszego. Tym czymś są wewnętrzne pokłady planety zaczynające się na głębokości mniej więcej 3 tys. km poniżej obserwowanej powierzchni zewnętrznych chmur, które rotują już jako ciało sztywne. Na tej głębokości nasilają się właściwości przewodzące pokładów wodoru (Jowisz w 75% składa się z tego pierwiastka), a ściskanie ich przez coraz silniejsze pole magnetyczne sprawia, że zachowują sztywność. Czyli głębiej Jowisz jest jednym w miarę stałym i tak samo rotującym ciałem. Wyżej jego warstwy zachowują się zmiennie i niezależnie od siebie. Stąd zaobserwowane anomalie grawitacyjne. To pozwala też do pewnego stopnia interpretować genezę licznych cyklonów i antycyklonów widocznych w atmosferze planety, zwłaszcza na jej biegunach. Na ich powstanie i zachowanie wpływ mają właśnie głębsze warstwy Jowisza, które wykazują cechy ciała sztywnego.
Wyprawa na bieguny
Ponieważ Juno krąży wokół Jowisza na orbicie biegunowej, może niezwykle dokładnie obserwować te miejsca planety, które wcześniej nie były badane. Czyli bieguny właśnie. Dzięki temu wiemy, że północny biegun polarny zajmuje jeden centralny, dokładnie nadbiegunowy cyklon, otoczony ośmioma mniejszymi cyklonami o średnicach 4–4,6 tys. km. Temu układowi dokładnie przyjrzał się instrument Juno zwany Jovian Infrared Auroral Mapper. Śledził on zachowanie cyklonów aż do głębokości 50–70 km poniżej zewnętrznych warstw chmur i stworzył trójwymiarową mapę tego obszaru. Ukazuje ona ciągłą emisję promieniowania (głównie podczerwieni), która trwa zarówno w dzień, jak i w nocy. Promieniowanie to uwalnia się z głębokich studni w atmosferze Jowisza, znajdujących się między cyklonami.
Z kolei południowy biegun planety ma nieco inną strukturę – a mianowicie jeden centralny nadbiegunowy cyklon otoczony pięcioma mniejszymi cyklonami podbiegunowymi. Pomimo że wszystkie są bardzo dynamiczne (wiatry wieją w nich z prędkością do ponad 350 km/h) i funkcjonują bardzo blisko siebie, niemal się stykając, to wciąż trwają w symbiozie, co przesądza o tym, iż oba ogromne układy cyklonów, i północny, i południowy, są stabilne. To istotnie inny obraz niż np. północnego bieguna Saturna, drugiego co do wielkości gazowego olbrzyma w Układzie, nad którym też działa potężny sześcioramienny cyklon, także trwały, ale pojedynczy.
Aż osiem peryjowiów pozwoliło naukowcom zbadać także dokładnie magnetosferę olbrzyma. Okazuje się, że pole magnetyczne Jowisza jest silniejsze niż sądzono – w okolicach okołorównikowych wynosi aż ponad 7 gausów, na biegunach – kilkanaście. Korzystając z dotychczas zebranych danych, badacze sporządzili nawet wstępną mapę rozkładu pól magnetycznych planety i okazało się, że natężenie tego pola jest bardzo nierównomierne, gdyż istnieją obszary szczególnego wzmożenia magnetycznego, zwłaszcza na półkuli północnej Jowisza. W pasie znajdującym się mniej więcej pośrodku półkuli północnej zaobserwowano obszar niezwykle aktywnego pola dodatniego; otaczają je mniejsze i mniej intensywne flanki ujemne. Z kolei półkula południowa magnetycznie jest ujemna, a pole staje się tym silniejsze, im bardziej oddalamy się od równika.
Jowiszowe zorze i wielka czerwona plama
Juno poświęciła też sporo uwagi słynnym zorzom polarnym, niezwykle silnym i o wiele bardziej intensywnym niż na Ziemi. Oczywiście wydaje się naturalne, że ze względu na ogromne rozmiary Jowisza także takie zjawiska powinny być bardziej spektakularne niż na planetach mniejszych. Należy jednak pamiętać, że gigant leży istotnie dalej od Słońca niż Ziemia, a przecież wiadomo, że zorze powstają, gdy bardzo energetyczne cząstki wiatru słonecznego zderzają się z cząstkami górnych warstw atmosfery, co wywołuje ich świecenie.
Nie do końca wiedzieliśmy, czy ten scenariusz dotyczy także Jowisza. Tu w sukurs amerykańskiej sondzie przyszły jeszcze dwa kosmiczne obserwatoria, a mianowicie teleskop Hubble’a oraz japoński satelita Hisaki, śledzący kosmos z orbity okołoziemskiej w ultrafiolecie. Wspólne dane z tych trzech źródeł pozwoliły potwierdzić ponad wszelką wątpliwość, że źródłem silnych zórz na Jowiszu jest księżyc Io, a dokładniej – jego wulkany. Io jest najbardziej aktywnym wulkanicznie obiektem w całym Układzie Słonecznym – wciąż wybucha na nim wiele wulkanów. Gazy siarkowe z tych erupcji uciekają z Io i gromadzą się początkowo w dość znacznej odległości od Jowisza, a w końcu są przez planetę przyciągane i dryfują w stronę jej biegunów. Tam cząstki gazu stykają się z atmosferą Jowisza, uaktywniają się i świecą.
Że wulkany Io są źródłem zórz, wiadomo było w zasadzie już wcześniej, hipotezą pozostawało za to stwierdzenie, że to wiatr słoneczny je wywołuje. I tu też niezastąpiona okazała się sonda Juno, która wkrótce po przybyciu na orbitę Jowisza odkryła falę szokową wiatru słonecznego wokół planety. Mechanizm jest więc typowy, jeśli chodzi o czynnik sprawczy; są nim cząstki wiatru słonecznego. Tyle że w przypadku Jowisza uaktywniają one cząstki materii obcej, pochodzącej z pobliskiego księżyca Io.
I wreszcie Wielka Czerwona Plama, która jest najbardziej charakterystycznym elementem Jowisza – znanym i opisywanym już co najmniej od 1830 r. 10 lipca 2017 r. Juno przeleciała dokładnie przed nią, w odległości 9 tys. km, uruchamiając wszystkie instrumenty badawcze. Plama ta to największy w Układzie Słonecznym wir atmosferyczny o średnicy 16 tys. km, a dokładniej antycyklon, który nieprzerwanie istnieje na Jowiszu od setek, a może nawet tysięcy lat. Nie wiedzieliśmy jednak, czy zmienia swoje rozmiary. Badania Juno pozwoliły ustalić, że cyklon maleje i powoli zanika, chociaż oczywiście wciąż jest jeszcze bardzo wyraźny. Ma także bardzo chłodny i gęsty środek, a im dalej od niego, tym robi się cieplej i czyściej. Wiatry w Wielkiej Czerwonej Plamie wydają się wyraźnie intensywniejsze w jej centrum. Słabną za to na peryferiach. Najbardziej chaotyczna i turbulentna jest północno-zachodnia część Plamy, w której istnieją na przemian prądy ciepłe i w miarę czyste oraz zimne i szczególnie gęsto zachmurzone.
Co 53 dni Juno osiąga najmniejszą odległość od Jowisza. Udało jej się dotąd zbliżyć na odległość zaledwie 3400 km od powierzchni jowiszowych chmur; tyle wynosi drogowa odległość między Warszawą a Lizboną. Ile niezwykłych zjawisk i procesów rozgrywających się na gigancie odkryje? Z pewnością jeszcze nieraz usłyszymy o Juno. Obecnie przewiduje się, że w 2021 r. nastąpi prawdopodobnie deorbitacja sondy – podzieli więc ona los próbnika Galileo, który spłonął w atmosferze Jowisza w 2003 r. Ale często udane misje kosmiczne – już dzisiaj można powiedzieć, że Juno do takich należy – bywają przedłużane i to znacznie. Być może więc amerykańska sonda będzie towarzyszyła naszej największej planecie jeszcze przez wiele lat. Na pewno ma szansę powtórzyć sukces wspaniałej Cassini, która tak dokładnie zbadała Saturna, jego pierścienie i księżyce.
Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”