Tähtitiede

Kaasujätit ja seismologia

Kaasujätit ja seismologia

Luin kauan sitten erittäin mielenkiintoisen tavan tutkia auringon sisäistä rakennetta ääniaaltojen kautta. Tätä uutta tutkimusaluetta, täällä jo tunnettua todennäköisyyttä, kutsutaan helioseismologiaksi.

Kuinka paljon voimme oppia kaasujätteiltä "kuuntelemalla" ääniaaltoja?

Hieman tangentti kysymykseen: Koskeeko tämä kaikkia muita jättiläisiä, kuten kuumaa Jupiteria, jääjättiä jne.?


En todellakaan ole asiantuntija, mutta ymmärtääkseni helioseismologiassa tehdyt havainnot eivät välttämättä toimi kaasujättien, kuumien jupitereiden, jääjättien jne. Kanssa.

Aurinko on tarpeeksi tiheä ja sillä on riittävästi painovoimaa, että vaikka se on plasma, se on suhteellisen kiinteä suurimman osan matkan. Toisin kuin Punainen Kääpiö tähdet, jotka ovat kevyempiä ja konvektiossa (0,35 ja alle aurinkomassat on mallinnettu täysin konvektiivisiksi), aurinko on kerrostettu eikä konvektio.

Yli yksinkertaistettuna aurinko käyttäytyy kuin rumpu sisäisten ääniaaltojensa suhteen. Aurinko on myös erittäin kovaa, sisältä ja pinnalta.

Jos soitit rumpua tyhjiössä, et voinut kuulla sitä, mutta voit tarkkailla rummun pinnan liikettä ja selvittää, miltä se kuulostaisi vain visuaalisesti. Sama kitaran kielillä. Tärinä näkyy aallonpituudella ja amplitudina.

Liioiteltu, rummun kuvio näyttää tältä.

Kuvan lähde.

Pohjimmiltaan näin tutkitaan Auringon ääniaaltoja. Sitä verrataan usein Sonariin, mutta en pidä tästä vertailusta, koska kaikuluotain toimii lähettämällä ääniaallon ulos ja nähdessään, mikä heijastuu takaisin. Se on enemmän kuin äänivärähtelyjen visuaalinen havaitseminen tai, kuten rummun tutkiminen katsomalla sen värähtelyjä sen sijaan, että kuuntelisit sitä.

Tämä on kuva siitä, miltä nämä värähtelyt näyttävät auringolta (jälleen suuresti liioiteltuina).

Lähde.

Kuten artikkelissa todettiin, rummulla on yksi solmu. Aurinko on monia solmuja, joten se on monimutkaisempi. Se on näiden monien solmujen tutkiminen, joka antaa käsityksen auringon sisäosista.

Ongelma sen tekemisessä kaasujätti planeetalla on (ja arvaan tässä osittain), en usko, että kaasujätti planeetta on tarpeeksi vankka käyttäytymään rummun tavoin. Konvektio (ja kaasujätti-planeetat ovat täynnä konvektiota ylemmissä kerroksissa) todennäköisesti laimentaisivat kaikki tutkittavat kuviot tai solmut sen sisätiloista, aivan kuten tuuli vähentää ääniaaltoja. En usko, että tämä menetelmä toimisi kaasujätti planeetoilla.


Kaasun jättiläiset: Tietoja ulkoisista planeetoista

Kaasujätti on suuri planeetta, joka koostuu pääosin kaasuista, kuten vedystä ja heliumista, ja jolla on suhteellisen pieni kivinen ydin. Aurinkokuntamme kaasujätit ovat Jupiter, Saturnus, Uranus ja Neptune. Nämä neljä suurta planeettaa, joita Jupiterin jälkeen kutsutaan myös jovian-planeetoiksi, sijaitsevat aurinkokunnan ulommassa osassa Marsin kiertoradan ja asteroidivyön ohi. Jupiter ja Saturnus ovat huomattavasti suurempia kuin Uranus ja Neptune, ja jokaisella planeettaparilla on jonkin verran erilainen koostumus.

Vaikka aurinkokunnassamme on vain neljä suurta planeettaa, tähtitieteilijät ovat löytäneet tuhansia sen ulkopuolelta, erityisesti NASAn Kepler-avaruusteleskoopin avulla. Näitä eksoplaneettoja (sellaisina kuin niitä kutsutaan) tutkitaan saadakseen lisätietoja aurinkokuntamme muodostumisesta.


Jääjättien valtakunta

AMY SIMON on NASAn Goddardin avaruuslentokeskuksen planeettatieteilijä, joka on tutkinut jättiläisplaneettojen ilmakehää 25 vuoden ajan. Hän on palvellut useiden NASA-tehtävien (Galileo, Cassini, OSIRIS-REx ja Lucy) tiederyhmissä ja johtaa Hubble-avaruusteleskoopin Outer Planet Atmospheres Legacy -ohjelmaa.

Vain Uranus ja Neptune Voyager 2 on vieraillut jääjättien, Uranus (vasen) vuonna 1986 ja Neptune (oikealla) vuonna 1989. Nämä Voyager-muotokuvat on uusittu uudelleen, jotta nämä kaksi planeettaa näkyvät oikeassa suhteellisessa koossa ja värissä. Voyagerista lähtien planeettatähtitieteilijät ovat tutkineet maapallon jääjättiä ja nähneet heidän kasvonsa muuttuvan. Kuva: NASA / JPL-Caltech / Björn Jónsson

Kuvittele 2 jäistä maailmaa kaukana auringosta. Heidän rauhallinen, sininen ilmapiiri. Valtavat, pahaenteisen näköiset myrskyt. Viehättäviä välähdyksiä kuista eksoottisilla, jäisillä maastoilla. Herkät ympäröivät renkaat.

Nopeutettuaan kohti lopullista pakenemista aurinkokunnasta, Voyager 2 vieraili Uranuksessa vuonna 1986 ja Neptunuksessa vuonna 1989. Nämä historialliset kärpäset antoivat meille ensimmäiset yksityiskohtaiset näkemyksemme näistä kiehtovista maailmoista sekä niitä ympäröivistä renkaista ja kuista. Mikään muu avaruusalus ei ole lähtenyt sinne sen jälkeen. Uranus ja Neptune asuvat suurelta osin tutkimattomassa auringonvalon nurkassa, mutta ne kuuluvat kuitenkin väkirikkaimpaan planeetan massa-alueeseen (50-100 maapallon massaa) perustuen nykyiseen tietämykseemme aurinkokennojen ulkopuolisista järjestelmistä.

Lyhyet Voyager flybys paljastivat nämä kaksi maailmaa olevan aivan erilainen kuin Jupiter ja Saturn, joita kutsutaan joskus kaasujätteiksi. Kun otetaan huomioon niiden suuret etäisyydet auringosta, Uranus ja Neptunus ovat paljon kylmempiä ja ilmakehän vettä ja muita jäätä muodostavia molekyylejä on enemmän, mikä ansaitsee heille lempinimen "jääjätit". Jääjätit ovat enimmäkseen vettä, luultavasti ylikriittisen nesteen muodossa, näkyvät pilvet koostuvat todennäköisesti eri koostumuksilla olevista jääkiteistä. Kylmistä lämpötiloista huolimatta he tukevat edelleen jättimyrskyjä, aivan kuten Jupiterin suuri punainen piste tai Saturnuksen suuret kausitaudit.

Tarkkaileminen maasta

Kun Voyager flybys on jo kauan kulunut, olemme tänään kiinni jääjättien tutkimisesta maasta. Hyvin varustetut amatööri-tähtitieteilijät, joilla on suuremmat teleskoopit, voivat usein tunnistaa kirkkaiden pilvien paikalliset myrskyt, jotka ylittävät planeettojen pienet levyt. (Vuonna 2019 Uranus ja Neptune ovat parhaimmillaan teleskooppikatseluun lokakuussa ja syyskuussa.)

Planeettatutkijat tutkivat näitä maailmoja ensisijaisesti suurilla, maanpäällisillä teleskoopeilla, kuten Keck Observatory, Gemini Observatory ja European Very Large Telescope, jotka kaikki käyttävät adaptiivista optiikkaa kuvan terävöittämiseen. Hubble-avaruusteleskooppia käytetään myös myrskyn ja pilviaktiviteetin seuraamiseen ajan myötä, ja jopa Kepler-avaruusalus havaitsi jääjättiä kulkiessaan näkökentänsä läpi.

Uraanilla ja Neptunuksella on joitain ilmeisiä yhtäläisyyksiä. Noin 4 kertaa maapallon halkaisijan, ne ovat kooltaan lähes identtisiä (3 prosentin sisällä), ja niiden syvissä sisätiloissa on vertailukelpoiset pyörimisnopeudet: 17 ja 16 tuntia. "Päivän" pituus ilmakehässä vaihtelee kuitenkin paljon leveysasteesta riippuen, koska molemmat suurnopeuksiset urheilutuulet puhaltavat jopa 400 metriä sekunnissa (900 mailia tunnissa) - jopa nopeammin kuin kaasujättiläiset.

Molemmat planeetat näyttävät vaaleansinisiltä. Niiden sininen väri johtuu auringonvalon punaisten aallonpituuksien voimakkaasta imeytymisestä pienillä määrillä metaania (CH4) ilmakehässä. Neptunuksen sininen on syvempi kuin Uranuksen sininen joko siksi, että Uraanilla on enemmän sumua tai koska Neptunuksen ilmakehässä on toinen tunnistamaton ainesosa, joka absorboi pidemmän aallonpituuden valoa vielä voimakkaammin. Molemmilla on myös monimutkaisia ​​magneettikenttiä, jotka on siirretty pois keskipisteistään ja kulmaltaan vinossa, mikä luo epäsymmetrisesti muotoisia magnetospalloja. Molemmilla on renkaat ja satelliittijärjestelmät, joissa on kymmeniä kuita.

Neptunuksen, Uranuksen, Saturnuksen ja Jupiterin sisä- ja rengasrakenteet verrattiin. Kaikki neljä suurinta planeettaa ovat peitetty kaasumaisella vety- ja heliumkuorella sekoitettuna jäisiin materiaaleihin, jotka muodostavat värikkäitä pilviä. Kaikkia 4 ympäröivät renkaat. Pinnan alla ne ovat hyvin erilaisia. Tässä neljän maailman sisärakenteet näytetään mittakaavassa keskenään. Taulukossa kuvataan planeettojen fyysiset ominaisuudet verrattuna maapalloon. Kuva: Emily Lakdawalla ja Loren A. Roberts The Planetary Society

Kuten alla huomaat, jääjätit eroavat toisistaan ​​myös merkittävillä tavoilla ja esittävät ainutlaatuisia ääripäitä tämän planeettaluokan tutkimiseen.

Uranus

Uraanilla on suurin kaltevuus (aksiaalinen kallistuma) kaikista planeetoista, huomattava 98 astetta, joten sen maapallo liikkuu olennaisesti kyljellään. Kun otetaan huomioon etäisyys auringosta (keskimäärin 19,2 AU), tällä planeetalla kestää 84 vuotta kiertoradan suorittaminen, mikä johtaa hyvin pitkiin vuodenaikoihin, jotka pitävät jokaisen napan kylvettynä jatkuvassa auringonvalossa tai pimeydessä vuosikymmenien ajan. Uraanista ei säteile enempää energiaa kuin se saa auringolta - se on ainoa ulompi planeetta, jossa ei ole liikaa sisäistä lämpöä. Tämä voi johtua siitä, milloin ja miten se muodostui. Se voi johtua myös hitaasta ilmakehän konvektiosta ilmakehässä, joka on tosiasiallisesti erittäin kylmä –220 ° C (–365 ° F).

Voyager 2: n katselemana Uranus esitti lempeän ilmapiirin, josta ei ollut yksityiskohtia. Vaikka Uranuksen ilmapiiri ei ole yhtä myrskyinen kuin Neptunuksen ilmapiiri, se ei ole kuitenkaan lainkaan passiivinen. Viime vuosina maanpäälliset havainnot ja Hubble-avaruusteleskooppi ovat paljastaneet selkeät pilvet ja myrskyt. Vuonna 2006 ilmestyi tumma täpli, joka johti laajaan aktiviteettiin, joka liittyi pohjoiseen kevätpäiväntasaukseen vuonna 2007. Hubblen vuosittainen seuranta osoittaa edelleen, että pienet, kirkkaat pilvet - todennäköisesti metaani- tai rikkivetyjään kondensaatiot - ilmestyvät ja häviävät. Viime aikoina maanpinnan infrapunatutkimuksissa havaittiin rikkivetykaasua Uranin ilmakehässä, kun taas mitään näistä kaasuista ei näy Jupiterin ja Saturnuksen ylemmissä ilmakehissä, ja tutkijat olivat olettaneet, että rikkivedyn on oltava syvemmällä ja piilossa näkyvistä.

Muutokset Uranuksen kasvoissa Uranuksen rauhallisessa ilmakehässä lävistävät mahdollisesti vuodenaikojen myrskyt, jotka ilmestyivät ennen sen päiväntasausta ja sen jälkeen vuonna 2007. Eteläpolaarinen sumu himmensi ja pohjoisnapa-sumu kirkastui vuodenajan muuttuessa. Kuva: Larry Sromovsky ja Pat Fry (Wisconsin-Madisonin osavaltio) havainnoilla: Imke de Pater (Berkeley) ja Heidi Hammel (AURA)

Uraanilla on monia keskikokoisia kuita, mutta ei yhtä suurta, joka muistuttaisi Saturnuksen Titania. Nämä seuralaiset näyttävät muodostuneen paikalleen minkä tahansa tapahtuman aikana tai sen jälkeen, kun Uranus kallistui kyljelleen, ja he kiertävät sen päiväntasaajan tasossa. Kuissa on hieman enemmän jäätä kuin kivessä, joidenkin tuntemattomien materiaalien pimentäessä niiden pintoja. Ne osoittavat myös jäädytetyn hiilidioksidin ("kuiva jää") spektrin. Arielin pinnalla on rakenteita, jotka näyttävät virtausominaisuuksilta, ja Umbrielillä on kirkas naparengas, ehkä jää makaa kraatterilattialla. Toinen pieni kuu, Mab, saattaa tuottaa heikon, sinisävyisen renkaan, kuten Enceladus Saturnuksen E-renkaalle, vaikka sen lähde onkin edelleen mysteeri. Monet pienistä kuista romahtavat ja ovat vuorovaikutuksessa pääuraanirenkaiden kanssa, jotka ovat paljon tummempia ja kapeimpia kuin Saturnuksen vielä läpinäkymättömämmät kuin Jupiterin.

Uraanin myrskypilvet Uraanilla on hieno rengasjärjestelmä. Se näkyy parhaiten infrapunavalon aallonpituudella, joka imeytyy voimakkaasti ilmakehän metaaniin. Metaanin imeytyminen tekee Uranuksen ilmapiiristä pimeän, joten renkaat ja korkeiden myrskyjen pilvet näyttävät suhteellisen kirkkailta. Kuva: Larry Sromovsky ja Pat Fry (Univ. Of Wisconsin-Madison)

Neptunus

Neptune asuu 30 AU: n päässä Auringosta, ja kiertoradan suorittamiseen kuluu 165 vuotta. Huolimatta siitä, että se on paljon kauempana kuin Uranus, sen keskilämpötila on samanlainen (–230 ° C tai –380 ° F), ja Neptunuksen sisätilat tuottavat yli kaksinkertaisen auringolta saamansa säteilyn. On varmasti mysteeri, miksi Uranus ja Neptune eroavat toisistaan ​​tässä suhteessa. Yksi komplikaatio on, että Neptunuksen yleinen heijastavuus vaihtelee ajan myötä absorboimalla enemmän tai vähemmän auringonvaloa laajalla aallonpituusalueella. Se voi vaikuttaa sen energiataseeseen.

Verrattuna Uranuksen äärimmäiseen kaltevuuteen Neptunuksella on paljon järkevämpi 28 asteen kallistuma, samanlainen kuin Maan, Marsin tai Saturnuksen. Voyager 2 osoitti Neptunukselle paljon kirkkaita pilviä ja myrskyjä, mukaan lukien erityisen suuri antisykloninen myrsky, jota ei silloin ollut näkyvissä nykyisistä maapallon tiloista. Samanlainen kuin Jupiterin suuri punainen piste, se nimettiin suureksi tummaksi pisteeksi, mutta sitä ei ilmeisesti enää ollut läsnä, kun Hubble katsoi ensimmäisen kerran Neptunusta vuonna 1994.

Siitä lähtien on havaittu useita ehdokkaita uusia tummia pisteitä, vaikka kukaan ei kestänyt muutamaa vuotta kauemmin. Pienelle, joka löydettiin Hubble-kuvista vuonna 2015, seurasi korkeita, paksuja ja valkoisia pilviä, jotka näkyvät helposti maapohjaisista teleskoopeista. Toinen kirkkaiden myrskyjen puhkeaminen tapahtui vuonna 2017, ja viimeisimmissä vuoden 2018 Hubble-kuvissa on uusi yhtä tumma täplä kuin Voyager 2: n kuvassa. Toisin kuin Jupiterin myrskyt, Neptunuksen suuret myrskyt eivät rajoitu leveysasteeseen ja voivat liikkua napoja kohti tai päiväntasaaja, mikä todennäköisesti vaikuttaa heidän lyhyeen elämäänsä. Jotkut tutkimukset viittaavat siihen, että "sääkerros" Neptunuksen ilmakehässä - ja myös Uranuksessa - voi olla korkeintaan noin 1000 kilometriä (600 mailia) syvä.

Neptunuksella on vähintään 14 kuuta, joista suurin osa havaittiin Voyager 2: lla tai intensiivisillä teleskooppihauilla. Sen tunnetuin satelliitti on Triton, joka on 2 706 kilometrin poikki 20 prosenttia pienempi kuin Maan kuu, mutta 10 prosenttia suurempi kuin Pluto. Triton kiertää Neptuunia taaksepäin, mikä tarkoittaa, että se on vangittu kääpiöplaneetta, joka todennäköisesti otetaan Kuiperin vyöltä. Voyager 2 näki vain osan Tritonista, hämmästyttäviä tutkijoita, näkemyksineen monimutkaisesta kuvioidusta, lähes kraatterittomasta pinnasta ja aktiivisista, geysirimäisistä suihkukoneista, jotka ampuvat tummaa materiaalia monta kilometriä etelänavan yläpuolella. Neptunuksen renkaat ovat myös toisin kuin minkään muun planeetan renkaat, joskus ne esiintyvät paloina ja osakaarina eikä täydellisinä renkaina. Pienen kuun, Galatea, heikko painovoima saattaa paimentaa renkaat tähän kokoonpanoon.

Hubble Images Uranus ja Neptune vuonna 2018 Uusia myrskyjä ilmestyi sekä Uranuksen (ylhäällä) että Neptunuksen (pohjalla) pohjoisnapa-alueilla vuonna 2018. Uraanin myrsky oli näkyvissä maanpäällisillä teleskoopeilla kirkkaana pisteenä, kun taas tumma Neptunuksen täplä oli vain näkyvä Hubble-avaruusteleskoopille. Hubble näkee sinisillä aallonpituuksilla suuremmalla resoluutiolla kuin maalla olevat kaukoputket. Kuva: NASA / ESA / Amy Simon (GSFC) ja OPAL-tiimi / Joseph DePasquale (STScI)

Terra Incognita

On olemassa pitkä luettelo asioista, joita emme tiedä näistä paikallisista jättiläisistä ja mitä heidän on kerrottava meille aurinkokunnastamme. Suurten kysymysten joukossa pyrimme ymmärtämään, kuinka planeetat muodostuivat ja miksi heillä on nykyinen kiertorata. Jotkut dynaamiset asiantuntijat epäilevät esimerkiksi, että Uranus ja Neptunus muodostuivat paljon lähempänä aurinkoa ja siirtyivät sitten ulospäin lukemattomien gravitaatiovaikutusten vuoksi alkeellisessa aurinkosumussa olevien pienikokoisten kappaleiden kanssa.

Samalla tavoin pyrimme ymmärtämään aurinkokennon ulkopuolisten planeettajärjestelmien kokoonpanot, joista monet näyttävät hyvin erilaisilta kuin meidän, planeettojen ollessa tiiviisti lähellä tähtiään.

Hubble ja maanpäälliset kaukoputket voivat auttaa meitä seuraamaan Uranuksen ja Neptunuksen muuttuvia pilviä, mutta jotta voimme selvittää, mitkä aurinkokunnan muodostumismallit ovat lähinnä totuutta, meidän on seurattava Voyager 2: n tiedustelua nykyaikaisen avaruusaluksen vierailulla.

Esimerkiksi sumussa, josta aurinko ja planeetat muodostuivat, oli koostumuksen kaltevuudet, jotka muuttuivat materiaalina, pyyhittiin ylös tai puhallettiin pois siten, että kunkin planeetan ainutlaatuinen koostumus osoittaa, milloin ja missä se muodostui. Vaikka jotkut ainesosat voidaan havaita etänä, vain ilmakehän koetin voi mitata jalokaasuja (helium, neon, argon, ksenoni ja krypton) jokaisen planeetan ilmakehässä, koska ne eivät reagoi kemiallisesti tai muutu ajan myötä.

Paikalle muodostuneen (Uranus) ja siepatun (Neptunus) satelliittijärjestelmän lisääminen rajoittaa edelleen gravitaatiovuorovaikutuksia, joita tapahtui varhaisessa vaiheessa ulkoisten planeettojen keskuudessa. Kiertorata-avaruusalukset voisivat tutkia näiden satelliittien useampia alueita tallentamalla tärkeitä yksityiskohtia geologisista ominaisuuksista sekä pinnan koostumuksesta.

Kun pyrimme ymmärtämään satoja samankokoisia aurinkopaneeleita, tarvitsemme yksityiskohtaista tietoa oman planeettamme ilmakehän prosesseista. Uranus ja Neptune tarjoavat erityisen tärkeitä tapauksia ilmakehän dynamiikan ymmärtämiseksi kylmissä ilmakehissä ja useissa kausiluonteisissa ääripäissä. Vaihtuvatko Uranuksen ja Neptunuksen lämpötaseet ajan myötä? Ovatko sisätilojen päästöt todellisuudessa samanlaisia ​​kuin Voyager 2 osoittaa? Vastausten saamiseksi tarvitsemme lisämittauksia heijastuneesta (valaistu pallonpuolisko) ja päästetystä (valaisematon pallonpuolisko) voimasta kullekin näistä planeetoista.

Vielä parempi olisi yksityiskohtainen mittaus sisätilojen rakenteesta, jotta ymmärrettäisiin ilmakehän kerrostuminen ja miten se vaikuttaa lämmön konvektioon ylöspäin syvästä sisätilasta. Tämä voidaan saavuttaa kiertoradoilla kunkin planeetan lähellä olevien painovoimakenttien kartoittamiseen sekä tutkimalla syvälle pilvien yläpuolelle tutkaa, mikroaaltoja ja mahdollisesti jopa Doppler-seismologiaa käyttämällä. Ilmakehän koettimet voivat mitata, kuinka lämpötila, paine ja tuulet muuttuvat näissä ilmakehissä korkeuden kanssa. Tämä on ratkaisevaa, kun tiedämme, kuinka maapallolta havaitsemamme pilvet sopivat maailmanlaajuisiin kiertoihin.

Pyrimme myös ymmärtämään, kuinka valtamerimaailmat - suuret kuut, joissa on laajoja vedenalaisia ​​vedenalaisia ​​säiliöitä - syntyivät ja kuinka yleisiä ne voivat olla aurinkokunnassamme tai muualla. Europan, Ganymeden ja Enceladuksen maanalaiset valtameret löytävät uusia mahdollisia elinympäristöjä elämälle. Peittääkö Triton myös valtameren jäätyneen kuorensa alla? Muiden suurten kuiden lähellä kulkevat avaruusalukset voisivat kartoittaa pintaominaisuuksia, magneettikentän taipumia ja ehkä jopa aktiivisia geysirejä ja vesiputkia, joista mikä tahansa voi osoittaa pinnan alla piileviä suuria nestesäiliöitä.

Uudet tehtävät Uranukseen ja Neptunukseen voivat tarjota oikea-aikaisia ​​vastauksia moniin kiireellisiin tieteellisiin kysymyksiimme. Ihanteellinen skenaario sisältää kiertoradan lähettämisen molemmille planeetoille, jotka voisivat lähettää instrumentoituja koettimia sukeltamaan ilmakehäänsä ja saamaan kriittisiä mittauksia. Jos tällaiset tehtävät olisivat edelleen aktiivisia vuosina 2050 (Uranuksessa) ja 2046 (Neptunuksessa), he näkisivät tasa-arvot molemmilla planeetoilla, vuodenaikojen muuttuessa ja sekä planeettojen että niiden kuun molempien napojen valaistuksessa.

Muut elimet voivat tulla mahdollisten jääjättioperaatioiden lisäkohteiksi. Esimerkiksi Neptune-kiertorata, jossa on koetin (t), voisi maksimoida tieteen tuottonsa myös lentämällä matkalla Kentaur-asteroidin ohitse ja tutkien sitten Tritonia (siepattu Kuiperin vyöobjekti) sen saapumisen jälkeen. Avaruusalus, joka suuntaa ulospäin suorittamaan Kuiper-vyön lentomatkan, voisi ensin ohittaa Uranuksen ja toimittaa ilmakehän koettimen matkan varrella.

Toistaiseksi tällaiset tehtävät ovat vain muutakin kuin teknisiä käsitteitä, mutta se ei vähennä niiden tieteellistä potentiaalia. Mennään tutkia aurinkokuntamme jääjättiä ja nähdä, mitä salaisuuksia heillä on!

Mitä "jää" tarkoittaa?

Tiukimmassa määritelmässä jää on kiinteä veden muoto. Planeetan tähtitieteilijät käyttävät kuitenkin usein "jäätä" viittaamaan minkä tahansa kondensoituvan molekyylin kiinteään muotoon. Nämä ovat yleensä erittäin heijastavia, muodostavat pilviä ja (toisin kuin mineraalit) voivat helposti muuttua nestemäisten, kiinteiden ja kaasutilojen välillä suhteellisen matalissa lämpötiloissa. Jäätynyt vesi ja hiilidioksidi (“kuiva jää”) ovat tunnetuimpia jäätä maapallolla, mutta metaani, ammoniakki, rikkivety ja fosfiini (PH3) voivat kaikki jäätyä Uraanin ja Neptunuksen ilmakehässä. (Itse asiassa erittäin kylmien lämpötilojen vuoksi suurin osa havaitsemistamme pilvistä on todennäköisesti metaani- tai rikkivetyjään kondensoituneita.)

Neptunuksen etelänapa Kun Voyager 2 lensi Neptunuksen ohi, se näki korkeita, valkoisia pilviä pyörien heikon pyörteen ympärillä planeetan etelänavalla. Pilvet heittivät varjoja alla olevaan siniseen ilmapiiriin. Aurinkokunnan jään jättiläisten rauhalliset kasvot peittävät nopeita tuulia yhtä dynaamisissa ilmakehissä kuin Saturnuksen ja Jupiterin. Kuva: NASA / JPL-Caltech / Daniel Macháček

Planeettaraportti • Maaliskuu

Auta etenemään avaruustieteen ja tutkimuksen! Tule Planetary Societyn jäseneksi ja saat Planetary Report -raportin täydelliset PDF- ja painetut versiot.


Löytyi: (21) Nykymaailmassa se, että kotimme, maapallo, tunnetaan planeetana, on melko yleinen paikka. Näin ei kuitenkaan aina ollut, koska vasta 1500-luvulla Nicholas Copernicus ravisti tähtitieteen perustaa ja muutti näkemystämme. Hänen ideoistaan ​​geosentrinen malli poistettiin ja heliocentric perustettiin. Sieltä kotimme menetti otsikkonsa "maailmankaikkeuden keskusta" ja sai nimen planeetalta, joka kiertää aurinkoamme.

Ilmakehän koostumus: (22) Typpi (78%), happi (20,9%), argoni (.9340%), hiilidioksidi (.039445%), nämä ovat elementtejä, jotka muodostavat ilmakehämme suurimman prosenttipisteen. Näiden lisäksi on pieniä määriä neonia, heliumia, metaania, kryptonia, vetyä, typpioksidia, hiilimonoksidia, ksenonia, otsonia, typpidioksidia, jodia, ammoniakkia ja vesihöyryä.

Ydinkoostumus: (23)(24) Maan ytimen uskotaan olevan pääasiassa rautametallia. Tämän lisäksi havaitsemme, että siellä on myös kunnollinen määrä nikkeliä (noin 4%), kevyen elementin rinnalla, joka on vielä kyseenalaistettu. Tällä hetkellä väite on kuitenkin ilmeisesti nimetty sen hyväksi, että kevyt elementti on happi rikkin sijaan. Toisaalta toisessa lähteessä todetaan, että ydin voi koostua harvoista elementeistä, kuten platina ja kulta.

Kuiden määrä: Planeetallamme on yksi kuu, sen nimi on Luna.

Pintalämpötila: (26) Planeettamme keskimääräinen pintalämpötila on noin 57,2 Fahrenheit-astetta. Tämä johtuu pääasiassa ilmakehästä, joka toimii välitön huopa, joka vangitsee lämmön sen alle. Ilman tätä "huopaa" keskimääräinen pintalämpötilamme olisi paljon korkeampi ja epäsäännöllinen sää / lämpötila voisi olla yleistä.

Ytimen lämpötila: (24) Planeettamme ytimen lämpötilan uskotaan olevan noin 5700 kelvin-astetta, tai suunnilleen sama lämpötila kuin aurinkomme pinta.

Sormusten lukumäärä: (25) Jotkut tutkijat uskovat, että maa olisi voinut koristaa renkaita yhdessä vaiheessa, vaikka tällaista olisi pitänyt tapahtua miljoonia vuosia historiassamme. Tässä vaiheessa maapallolla ei ole sitä ympäröiviä renkaita, mutta aikaisemmin ihmiset ovat luoneet keinotekoisen renkaan. Tämä keinotekoinen rengas luotiin sotilaskokeessa, joka tunnettiin nimellä Project West Ford.


Muodostus:

NASA: n Spitzer-avaruusteleskoopin avulla tähtitieteilijät ovat löytäneet todisteita, jotka osoittavat, että kaasujätteet ovat saattaneet muodostua auringon kaltaisen tähden ensimmäisen 10 miljoonan vuoden aikana.

He tulivat tähän johtopäätökseen, kun he etsivät kaasujälkiä noin 15 eri auringon kaltaisen tähden ympärillä. He havaitsivat, että enemmistön ikä vaihteli 3-30 miljoonaan vuoteen.

Spitzer-avaruusteleskoopin infrapunaspektrometri antoi tutkijoille mahdollisuuden etsiä näiden suhteellisen lämpimän kaasun sisältävien tähtien sisäalueita.

Aurinkokunnassamme tämä alue voi olla verrattavissa Jupiterin ja Maan väliseen vyöhykkeeseen. Tähtitieteilijät etsivät myös viileämpiä kaasuja näiden järjestelmien ulkoisista syistä maalla sijaitsevien radioteleskooppien avulla.

Aurinkokunnassamme uskotaan, että he ovat saattaneet lopulta asettua nykyiseen kokoonpanoonsa noin 4,5 miljardia vuotta sitten.

Tutkijat uskovat, että Jupiterin ja Saturnuksen kaltaiset planeetat muodostuivat alun perin jäisiksi, kallioisiksi planeetoiksi, jotka muistuttavat maanpäällisiä planeettoja.

Niiden ytimen koko antoi heille mahdollisuuden kaapata heliumia ja vetyä kaasupilvistä ennen kuin aurinko räjäytti suurimman osan siitä.

Pienemmillä Neptunuksella ja Uraanilla on suuremmat kiertoradat, ja heidän oli vaikeampaa kerätä valtavia määriä heliumia ja vetyä tehokkaasti.


Kaasujättien energiakriisi ratkaistu 50 vuoden jälkeen

Jupiterin ja Saturnuksen pitäisi olla pakkasella. Sen sijaan he ovat kuumia. Tutkijat tietävät nyt miksi. Saturnuksen aurorat näkyvät selvästi tässä yhdistelmäkuvassa, jonka NASAn Cassini-avaruusalus on tehnyt. Sininen valo vastaa heijastunutta auringonvaloa, punainen planeetan omaa lämpöä ja vihreä aurora-vetyionien päästöissä. Elävät kuten he elävät & hellip

Jupiterin ja Saturnuksen pitäisi olla pakkasella. Sen sijaan he ovat kuumia. Tutkijat tietävät nyt miksi.

Saturnuksen aurorat näkyvät selvästi tässä yhdistelmäkuvassa, jonka NASAn Cassini-avaruusalus on tehnyt. Sininen valo vastaa heijastunutta auringonvaloa, punainen planeetan omaa lämpöä ja vihreä aurora-vetyionien päästöissä.

Elämän kuten he elävät aurinkokunnan kaukaisilla, auringon hylkäämillä alueilla, Jupiterin ja Saturnuksen, kaasujättien sekä Uranuksen ja Neptunuksen, jääjättien, odotettiin aina olevan pakkasmaailmoja. Mutta kun NASA: n Voyager-avaruusalus purjehti niiden ohitse 1970-luvun lopulla ja 1980-luvulla, tutkijat havaitsivat, että kaikki neljä maailmaa juoksivat planeettakuumeita - paljastus oli yhtä hämmentävä kuin avotulen löytäminen pakastimestasi.

Maanpäällisten teleskooppien sekä Galileo- ja Cassini-avaruusalusten seurantahavainnot osoittivat, että niiden koko planeetan kokoinen kuume on jatkunut ajan myötä. Heidän planeetan kuumeensa ovat akuutteja: Esimerkiksi Jupiterin alempien leveysasteiden tulisi olla pakkasia −110 astetta. Sen sijaan ilmapiiri siellä kypsyy 325 astetta. Mikä inkognito-jätteenpolttouuni on tämän takana? Ja miten tämä tuntematon lämmönlähde lämpenee paitsi yhden paikan planeetalla, myös koko ylemmän ilmakehän?

Tutkijat ovat yrittäneet selittää tämän "energiakriisin", mutta ovat olleet "hämmentyneitä noin 50 vuoden ajan", sanoi Japanin ilmailu- ja avaruustutkimusviraston planeettatähtitieteilijä James O’Donoghue. Nyt kahdessa artikkelissa on lopullisesti paljastettu, mistä kaikki tuo lämpö tulee: Jupiterin ja Saturnuksen pohjoiset ja eteläiset valot - niiden aurorit.

Tulokset saadaan molempien kaasujättien yläilmakehän yksityiskohtaisista mittauksista. Saturnuksen ilmakehän lämpötila otettiin Cassini-avaruusaluksella niiden liikkeiden aikana, jotka lopulta syöksivät sen Jupiterin planeetalle, ommeltiin yhteen kaukoputkella Havaijin jättiläisen tulivuoren huipulla. Molemmat osoittavat, että ilmakehät ovat kuumin molempien magneettisten napojen alapuolella olevien aurora-alueiden lähellä. Kun lähestyt päiväntasaajaa, lämpötila laskee. Selvästi aurora tuo lämpöä - ja kuten patterilla, tämä lämpö pienenee etäisyyden mukana.

Energiakriisin ratkaisulla voi olla kauaskantoisia seurauksia. Planeetat - omassa aurinkokunnassamme olevista kaukaisiin tähtiin kiertäviin - eivät aina pidä ilmakehäänsä. Monet kaasumaiset kirjekuoret tuhoutuvat ajan myötä, joissakin tapauksissa muuttamalla jättiläismäiset maailmat pieniksi, asumattomiksi kuoreiksi. Tutkijat haluavat pystyä erottamaan nämä asuttavista, maapallon kaltaisista planeetoista. Jos toivomme niin, sanoi Arizonan yliopiston tutkija Zarah Brown, "yksi tärkeimmistä parametreista, jotka haluat tietää, on ulkoilmakehän lämpötila, koska siellä kaasua menetetään avaruuteen."

Alien Auroras
Maan pohjoista ja etelää ei ole vielä täysin ymmärretty, mutta perusasiat ovat selvät.

Aurinko ampuu magneettikenttien ja energisten hiukkasten lentopalloja avaruuteen. Kun nämä lentopallot - tunnetaan paremmin aurinkotuulena - saavuttavat planeettamme, ne ovat vuorovaikutuksessa maapallon oman magneettikuplan, joka tunnetaan magnetosfäärinä. Sitten energiset hiukkaset kiertyvät planeetan pohjois- ja etelämagneettisiin napoihin. Siellä he pingoittavat kaasutomia ja molekyylejä ilmakehän yläosassa. Nämä vaikutukset saavat väliaikaisesti virtaa kaasuista, jotka lähettävät näkyviä valonsäteitä.

Yleensä aurorat tarvitsevat kolme ainesosaa: energisten hiukkasten lähteen, magneettikentän ja ilmakehän. Jupiterilla ja Saturnuksella on kaikki kolme, mutta kumpikaan planeetan aurora ei ole aivan kuin maapallon.

Maan magneettikenttä syntyy nestemäisten nikkeli-rautaseosten sekoittumisesta syvällä jalkojemme alla. Mutta kaasujätteillä ei ole neste-rauta-ytimiä. Sen sijaan planeettojen valtava painovoima puristaa valtavat määrät nestemäistä vetyä niiden ulkosydämiin niin kovasti, että vedyn elektronit ponnahtavat vapaaksi. Prosessi muuttaa vedyn magnetismia tuottavaksi metalliksi.

Koska nämä metallivedyn pyörremyrskyt ovat niin valtavia, kaasujättien magnetosfäärit tekevät maapallosta näyttävän lilliputiselta. Jupiterin magnetosfääri "on aurinkokunnan suurin rakenne", sanoi O'Donoghue. "Sen häntä menee alas Saturnukseen ja mahdollisesti sen ulkopuolelle."

Kaasujätit eivät myöskään voi luottaa aurinkotuulen runsaaseen energiahiukkasten tai plasman toimitukseen, joka haihtuu etäisyyden kasvaessa auringosta. Sen sijaan he luottavat tulivuoren alkemiaan.

Jupiter saa suurimman osan plasmastaan ​​kuusta Io, joka on tieteen tiedossa oleva vulkaanisin esine. Ion melkein jatkuvat magmaattiset purkaukset päästävät runsaasti tulivuorimateriaalia avaruuteen siellä, se kylpee auringonvalossa, virtaa sähköisesti ja sitten suihkut alas Jupiteriin. Suurin osa Saturnuksen plasmasta tulee Enceladuksesta, peilimaisesta jäisestä kuusta, joka ampuu avaruuteen upeita kylmän vesisuihkun suihkukoneita.

Saturnuksen jäinen kuu Enceladus piilottaa kuoren alle maailmanlaajuisen nestemäisen suolaisen veden valtameren. Sen geysirit suihkuttavat vesijäätä ja höyryä satoihin kilometreihin avaruuteen.

Nämä plasmat ampuvat planeettojen laajoihin magneettikenttiin, jotka kiihdyttävät niitä napoihin. Plasmassa olevat varatut hiukkaset törmäävät ilmakehässä olevien kaasumolekyylien kanssa.

Saturnuksen aurorit lähettävät enimmäkseen ultraviolettivaloa Jupiterille, ne ovat sekä ultravioletti- että infrapuna-aallonpituuksilla. Mutta valoa tuottavat prosessit eivät ole samat kuin lämpöä tuottavat. Tässä tapauksessa "kaikki on kitkaa", sanoi O'Donoghue.

Plasma virtaa planeettojen magneettisiin napoihin kenttäviivojen kautta - magnetoituneet jänteet, jotka ulottuvat pitkälle avaruuteen. Nämä jänteet ja niiden virrat pyörivät planeetan mukana. Mutta joskus he kamppailevat pysyäkseen vauhdissa. Esimerkiksi Jupiter pyörii kerran 10 tunnissa. Kun nämä plasmavirrat jäävät planeetan pyörimisen jälkeen, Jupiterin voimakkaat länsituulet työntyvät niiden läpi. Näiden tuulien vetovoima hitaasti liikkuville plasmavirroille luo kitkaa. Ja tämä kitka tuottaa lämpöä - ehkä Jupiterin tapauksessa 125 kertaa enemmän lämpöä kuin planeetta saa auringosta. "Se on eräänlainen pähkinä", sanoi O'Donoghue.

Ei siis ole yllättävää, että tähtitieteilijät ovat miettineet, ovatko aurorit näiden planeettakuumeiden lähde. "Vuosikymmenien ajan oli ilmeistä, että aurorassa oli paljon energiaa", sanoi Bostonin yliopiston vanhempi tutkija Luke Moore. Mutta siirtyäkseen epäilystä varmuuteen, tähtitieteilijät tarvitsivat kartan: erityisesti lämpökartan kaasu- ja jäägiganttien ylemmästä ilmakehästä. Sen avulla he voisivat nähdä, voisivatko korkeimmat lämpötilat olla päällekkäin auroroissa, ja onko tämä lämpö levinnyt koko planeetalle.

Ensimmäinen kartta tuli viimeisestä teosta. In April 2017, after 13 years in orbit around Saturn, NASA’s Cassini spacecraft was commanded to do something remarkable: make 22 orbits of the planet while repeatedly diving between it and its rings. The so-called Grand Finale, which ended on September 15, 2017, when the spacecraft burned up in Saturn’s clouds, gave Cassini a close-up view of the world like no other.

As Cassini passed close to Saturn, it peered through the planet’s atmosphere at the bright stars beyond. The light from these stars appeared to change depending on the density of the atmosphere that the light passed through. A gas’s density and temperature are related, so researchers used dozens of these measurements, known as stellar occultations, to produce detailed heat maps for both the day and night sides of Saturn’s upper atmosphere.

Published last year in Nature Astronomy, the heat maps showed a thermal spike around the auroras, and a gentle drop-off in temperatures toward the equator.

It certainly seemed as if the auroras were responsible. But “if our theory of energy redistribution on Saturn is correct, it would have to work on Jupiter as well,” said Brown, who was the lead author on the Saturn study.

Now, due to the work by O’Donoghue and his colleagues, it appears that it does.

Attributing Jupiter’s upper atmospheric fever to its own auroras also required a heat map. But making such a map is far from easy. The planet’s chaotic upper atmosphere changes from week to week. You can’t just take a measurement near the poles on one night, then come back a few weeks later and compare it with a measurement near the equator. In time, the skies will shift significantly, and evidence of any heat flows will be lost.

What researchers needed was a global heat map made during a relatively brief moment in time — one that showed the flow of heat over several hours.

O’Donoghue, Moore and company turned to the Keck Observatory atop Hawai‘i’s dormant Mauna Kea volcano. They used it to observe Jupiter in infrared light over two nights — April 14, 2016, and January 25, 2017 — for five hours apiece. During the course of each night they created a high-resolution heat map of Jupiter’s day side. Both maps clearly showed temperatures peaking around the auroral zones, hitting a staggering 730 degrees Celsius. This thermal zenith gradually declined as you approached the equator, where the mercury still hit an impressive 325 degrees.

Jupiter’s moon Io is the most volcanically active place in the solar system. The constant gravitational tug of Jupiter and its planets distorts Io’s surface, leading to eruptions such as this one caught by NASA’s Galileo spacecraft.

Their results, currently available in a preprint that has been accepted to Nature, harmonize with what Cassini saw at Saturn. The results have been taken as hard proof that the auroras can solve the energy crisis. “It’s a big step forward, seeing that it’s auroral heating,” said Rosie Johnson, a space physics researcher at Aberystwyth University in Wales who wasn’t involved with either paper.

Licia Ray, a space and planetary physics researcher at Lancaster University in England who is also not involved with either paper, praises the Saturn study’s rigorous data set. But she is less convinced by the Jupiter paper. “They’re only using two nights of data, and I find that to be an issue,” she said. But despite her misgivings, “I think the temperature gradient result [at Jupiter] probably will hold, because they’ve seen it at Saturn,” she said.

Having comparatively few observations is “a fair concern, because these are very dynamic places, these giant planets,” said Moore. Additional nights of Jupiter observations have been collected and are currently being processed.

In any event, most independent researchers seem convinced that the planet-wide fevers are down to the auroras. These papers provide “a really nice confirmation that what we suspected was happening is actually happening,” said Leigh Fletcher, a planetary scientist at the University of Leicester in England who was not involved with the work. “Energy is leaking from the auroral domain down into the lower latitudes.” The question is: How?

The Wicked Western Winds
The majority of atmospheric circulation models struggle to move heat from the aurora through Jupiter and Saturn’s screeching westward winds to the equator — at yet, their heat maps show that these tempestuous hurdles are somehow being overcome.

One potential solution was inspired by Cassini’s observations. Cassini discovered that, on occasion, a disturbance to a lower layer of Saturn’s atmosphere can cause that layer to migrate to the upper atmosphere. Such an inversion may disrupt and slow down the upper atmosphere’s powerful westward winds — perhaps enough to allow the auroral heat to leak through.

The aurora as seen over Saturn’s north pole.

In theory, this mechanism could apply to Jupiter too. But the upper atmospheres of gas giants lack clouds — clear markers of movement — which makes studying winds there “fiendishly challenging,” said Fletcher. For now, this part of the energy crisis remains a riddle without a resolution.

O’Donoghue’s team suspects that a second process might help distribute heat around Jupiter. Occasionally, intense solar wind activity will exert pressure on Jupiter’s magnetosphere, squeezing it. Prior work indicated that when this compression happens, Io’s plasma streams can get quickly pushed into the upper atmosphere. The additional plasma gives those powerful westward winds more to push through, which could produce a heating spike.

Such a spike may have been seen during the recent surveys. Around the time of the January 25, 2017, observation, when solar wind activity was relatively high, the already hot upper atmosphere spiked in temperature. The team simultaneously spotted a curious high-temperature structure moving from the auroral zones toward the equator. These phenomena were not seen during the April 14, 2016, observation, when the solar wind activity was relatively quiet.

The team speculates that a burst of solar wind activity in early 2017 may have pinched the planet’s magnetosphere. But other factors could also be in play. Ray speculates that an uptick in volcanic activity on Io may provide an alternative explanation. Without more observations, they can’t be certain one way or the other, said O’Donoghue.

Despite these lingering quandaries, the conclusive identification of the auroras as Jupiter and Saturn’s atmospheric arsonists has significantly bolstered our understanding of these worlds. Uranus and Neptune, however, remain shrouded in a thick fog of uncertainty. They have different atmospheres, magnetic fields and rotational behaviors — “they’re wacky,” said Brown — meaning what works for the gas giants may not work for the ice giants. They’re so far away that we struggle to see either in detail using Earth’s telescopes, and it looks as though they won’t be visited by another spacecraft for the foreseeable future. Until that day comes, these distant realms will remain strangers, both afflicted with planetary fevers that we have yet to fathom.


Alien Auroras

Earth’s northern and southern lights aren’t yet completely understood, but the basics are clear.

The sun shoots volleys of magnetic fields and energetic particles into space. When these volleys — better known as the solar wind — reach our planet, they interact with Earth’s own magnetic bubble, which is known as the magnetosphere. The energetic particles then spiral down to the planet’s north and south magnetic poles. There, they ping off gas atoms and molecules in the upper atmosphere. Those impacts temporarily energize the gases, which emit visible flashes of light.

In general, auroras require three ingredients: a source of energetic particles, a magnetic field and an atmosphere. Jupiter and Saturn have all three, but neither planet’s auroras are quite like Earth’s.

Jupiter’s magnetosphere is created by the movement of metallic hydrogen in the giant planet’s core. In this animation, magnetic field lines are seen in gold. The yellow arrow points to the sun. The light blue arrow marks the magnetic north, while the dark blue arrow marks the rotational axis. Red and green arrows define a coordinate system.

NASA’s Scientific Visualization Studio/JPL NAIF

Earth’s magnetic field comes from the churning of liquid nickel-iron alloys deep below our feet. But the gas giants don’t have liquid-iron cores. Instead, the planets’ immense gravity squeezes colossal volumes of liquid hydrogen in their outer cores so hard that the hydrogen’s electrons pop free. The process turns the hydrogen into a magnetism-generating metal.

Because these maelstroms of metal hydrogen are so immense, the gas giants’ magnetospheres make Earth’s look lilliputian. Jupiter’s magnetosphere “is the biggest structure in the solar system,” said O’Donoghue. “Its tail goes down to Saturn, and possibly beyond.”

The gas giants also can’t rely on a plentiful supply of energetic particles, or plasma, from the solar wind, which dissipates with increasing distance from the sun. Instead, they rely on acts of volcanic alchemy.

Jupiter gets most of its plasma from its moon Io, the most volcanic object known to science. Io’s near-constant magmatic eruptions jettison an abundance of volcanic material into space there, it bathes in sunlight, becomes electrically excited, then showers down onto Jupiter. Most of Saturn’s plasma comes from Enceladus, a mirrorlike icy moon that fires spectacular jets of frigid watery matter into space.

Saturn’s icy moon Enceladus hides a global ocean of liquid salty water beneath its crust. Its geysers spray water ice and vapor hundreds of kilometers into space.

These plasmas shoot into the planets’ expansive magnetospheres, which accelerate them into the poles. There, the charged particles in the plasma collide with gas molecules in the atmosphere.

Auroras on Saturn emit mostly ultraviolet light on Jupiter, they’re in both ultraviolet and infrared wavelengths. But the processes that make light aren’t the same as those that make heat. In this case, “it’s all about friction,” said O’Donoghue.

Plasma flows to the planets’ magnetic poles via field lines — magnetized tendrils that stretch far into space. These tendrils and their streams rotate along with the planet. But they sometimes struggle to keep pace. Jupiter, for example, rotates once every 10 hours. When those streams of plasma lag behind the planet’s rotation, Jupiter’s powerful westerly winds push through them. The drag of these winds on the slow-moving plasma streams creates friction. And that friction makes heat — perhaps, in the case of Jupiter, 125 times more heat than the planet gets from the sun. “That’s kind of nuts,” said O’Donoghue.

It’s not surprising, then, that astronomers have been wondering if the auroras are the source of those planetary fevers. “For decades, it was obvious that there was plenty of energy in the aurora,” said Luke Moore, a senior research scientist at Boston University. But in order to navigate from suspicion to certainty, astronomers needed a map: specifically, a heat map of the gas and ice giants’ upper atmospheres. With it, they could see if the highest temperatures could be superimposed on the auroras, and if this heat was diffusing over the entire planet.

The first map came from a final act. In April 2017, after 13 years in orbit around Saturn, NASA’s Cassini spacecraft was commanded to do something remarkable: make 22 orbits of the planet while repeatedly diving between it and its rings. The so-called Grand Finale, which ended on September 15, 2017, when the spacecraft burned up in Saturn’s clouds, gave Cassini a close-up view of the world like no other.


Scientists get sneak peek at the core of a gas giant

Gas giant planets like Jupiter are incredibly interesting objects. They’re also quite mysterious, as nobody really knows what is lurking deep within the miles of gas that makes up their thick atmospheres. For example, it’s thought that there’s some kind of a rocky core within Jupiter, but beyond that, researchers can’t say what features it has, how large it is, or even begin to guess what it looks like.

Our best shot at seeing the core of a gas giant may be to spot a planet’s core that has already been burned off by a nearby star. That’s exactly what researchers from the University of Warwick have done, and the planet &mdash called TOI 849 b &mdash is a burned-up husk of what may have once been a mighty hot Jupiter.

Hot Jupiter planets are gas giants that orbit particularly close to their host stars. They’ve been spotted by exoplanet survey projects, but nobody really knows what the future holds for them. Do they move outward to more comfortable distances, as some scientiss believe was the case with Jupiter, or remain close to their star and slowly burn away, which is what appears to have happened to TOI 849 b?

In their paper published in the journal Nature, the researchers explain how the rocky planet core &mdash which is roughly the size of Neptune &mdash may have once been a gas giant. One of the other possibilities, the scientists suggest, is that the planet is a failed gas giant which couldn’t muster enough gas to form the characteristic huge balloon that hot Jupiters are known for.

The last possibility that the researchers suggest is that the core is what remains of a gas giant planets that collided with another huge object. Such an impact would have greatly disrupted the planet and potentially sent its wealth of gas flying elsewhere.

“The planet could have been a gas giant before undergoing extreme mass loss via thermal self-disruption or giant planet collisions, or it could have avoided substantial gas accretion, perhaps through gap opening or late formation,” the researchers write. “Although photoevaporation rates cannot account for the mass loss required to reduce a Jupiter-like gas giant, they can remove a small (a few Earth masses) hydrogen and helium envelope on timescales of several billion years, implying that any remaining atmosphere on TOI-849b is likely to be enriched by water or other volatiles from the planetary interior. We conclude that TOI-849b is the remnant core of a giant planet.”

It’s pretty exciting, but there’s a bit of a downside. The planet &mdash or what’s left of it &mdash sits 730 light-years from Earth. That’s not a huge distance, cosmically speaking, but it’s far enough that researchers can’t really get a good look at it. They can estimate its size and mass, but that’s about it.

Mike Wehner has reported on technology and video games for the past decade, covering breaking news and trends in VR, wearables, smartphones, and future tech.


Alien Auroras

Earth’s northern and southern lights aren’t yet completely understood, but the basics are clear.

The sun shoots volleys of magnetic fields and energetic particles into space. When these volleys — better known as the solar wind — reach our planet, they interact with Earth’s own magnetic bubble, which is known as the magnetosphere. The energetic particles then spiral down to the planet’s north and south magnetic poles. There, they ping off gas atoms and molecules in the upper atmosphere. Those impacts temporarily energize the gases, which emit visible flashes of light.

In general, auroras require three ingredients: a source of energetic particles, a magnetic field and an atmosphere. Jupiter and Saturn have all three, but neither planet’s auroras are quite like Earth’s.

Earth’s magnetic field comes from the churning of liquid nickel-iron alloys deep below our feet. But the gas giants don’t have liquid-iron cores. Instead, the planets’ immense gravity squeezes colossal volumes of liquid hydrogen in their outer cores so hard that the hydrogen’s electrons pop free. The process turns the hydrogen into a magnetism-generating metal.

Because these maelstroms of metal hydrogen are so immense, the gas giants’ magnetospheres make Earth’s look lilliputian. Jupiter’s magnetosphere “is the biggest structure in the solar system,” said O’Donoghue. “Its tail goes down to Saturn, and possibly beyond.”

The gas giants also can’t rely on a plentiful supply of energetic particles, or plasma, from the solar wind, which dissipates with increasing distance from the sun. Instead, they rely on acts of volcanic alchemy.

Jupiter gets most of its plasma from its moon Io, the most volcanic object known to science. Io’s near-constant magmatic eruptions jettison an abundance of volcanic material into space there, it bathes in sunlight, becomes electrically excited, then showers down onto Jupiter. Most of Saturn’s plasma comes from Enceladus, a mirrorlike icy moon that fires spectacular jets of frigid watery matter into space.

Saturn’s icy moon Enceladus hides a global ocean of liquid salty water beneath its crust. Its geysers spray water ice and vapor hundreds of kilometers into space.

These plasmas shoot into the planets’ expansive magnetospheres, which accelerate them into the poles. There, the charged particles in the plasma collide with gas molecules in the atmosphere.

Auroras on Saturn emit mostly ultraviolet light on Jupiter, they’re in both ultraviolet and infrared wavelengths. But the processes that make light aren’t the same as those that make heat. In this case, “it’s all about friction,” said O’Donoghue.

Plasma flows to the planets’ magnetic poles via field lines — magnetized tendrils that stretch far into space. These tendrils and their streams rotate along with the planet. But they sometimes struggle to keep pace. Jupiter, for example, rotates once every 10 hours. When those streams of plasma lag behind the planet’s rotation, Jupiter’s powerful westerly winds push through them. The drag of these winds on the slow-moving plasma streams creates friction. And that friction makes heat — perhaps, in the case of Jupiter, 125 times more heat than the planet gets from the sun. “That’s kind of nuts,” said O’Donoghue.

It’s not surprising, then, that astronomers have been wondering if the auroras are the source of those planetary fevers. “For decades, it was obvious that there was plenty of energy in the aurora,” said Luke Moore, a senior research scientist at Boston University. But in order to navigate from suspicion to certainty, astronomers needed a map: specifically, a heat map of the gas and ice giants’ upper atmospheres. With it, they could see if the highest temperatures could be superimposed on the auroras, and if this heat was diffusing over the entire planet.

The first map came from a final act. In April 2017, after 13 years in orbit around Saturn, NASA’s Cassini spacecraft was commanded to do something remarkable: make 22 orbits of the planet while repeatedly diving between it and its rings. The so-called Grand Finale, which ended on September 15, 2017, when the spacecraft burned up in Saturn’s clouds, gave Cassini a close-up view of the world like no other.

As Cassini passed close to Saturn, it peered through the planet’s atmosphere at the bright stars beyond. The light from these stars appeared to change depending on the density of the atmosphere that the light passed through. A gas’s density and temperature are related, so researchers used dozens of these measurements, known as stellar occultations, to produce detailed heat maps for both the day and night sides of Saturn’s upper atmosphere.

Published last year in Luontotähtitiede, the heat maps showed a thermal spike around the auroras, and a gentle drop-off in temperatures toward the equator.

It certainly seemed as if the auroras were responsible. But “if our theory of energy redistribution on Saturn is correct, it would have to work on Jupiter as well,” said Brown, who was the lead author on the Saturn study.

Now, due to the work by O’Donoghue and his colleagues, it appears that it does.

Attributing Jupiter’s upper atmospheric fever to its own auroras also required a heat map. But making such a map is far from easy. The planet’s chaotic upper atmosphere changes from week to week. You can’t just take a measurement near the poles on one night, then come back a few weeks later and compare it with a measurement near the equator. In time, the skies will shift significantly, and evidence of any heat flows will be lost.

What researchers needed was a global heat map made during a relatively brief moment in time — one that showed the flow of heat over several hours.

O’Donoghue, Moore and company turned to the Keck Observatory atop Hawai‘i’s dormant Mauna Kea volcano. They used it to observe Jupiter in infrared light over two nights — April 14, 2016, and January 25, 2017 — for five hours apiece. During the course of each night they created a high-resolution heat map of Jupiter’s day side. Both maps clearly showed temperatures peaking around the auroral zones, hitting a staggering 730 degrees Celsius. This thermal zenith gradually declined as you approached the equator, where the mercury still hit an impressive 325 degrees.

Jupiter’s moon Io is the most volcanically active place in the solar system. The constant gravitational tug of Jupiter and its planets distorts Io’s surface, leading to eruptions such as this one caught by NASA’s Galileo spacecraft.

Their results, currently available in a preprint that has been accepted to Nature, harmonize with what Cassini saw at Saturn. The results have been taken as hard proof that the auroras can solve the energy crisis. “It’s a big step forward, seeing that it’s auroral heating,” said Rosie Johnson, a space physics researcher at Aberystwyth University in Wales who wasn’t involved with either paper.

Licia Ray, a space and planetary physics researcher at Lancaster University in England who is also not involved with either paper, praises the Saturn study’s rigorous data set. But she is less convinced by the Jupiter paper. “They’re only using two nights of data, and I find that to be an issue,” she said. But despite her misgivings, “I think the temperature gradient result [at Jupiter] probably will hold, because they’ve seen it at Saturn,” she said.

Having comparatively few observations is “a fair concern, because these are very dynamic places, these giant planets,” said Moore. Additional nights of Jupiter observations have been collected and are currently being processed.

In any event, most independent researchers seem convinced that the planet-wide fevers are down to the auroras. These papers provide “a really nice confirmation that what we suspected was happening is actually happening,” said Leigh Fletcher, a planetary scientist at the University of Leicester in England who was not involved with the work. “Energy is leaking from the auroral domain down into the lower latitudes.” The question is: How?


Astronomers photograph giant exoplanet in unusual large orbit

Direct image of the giant exoplanet YSES 2b (marked as “b”). The star in the middle of the bright dots has been hidden to block its light. Image via ESO/ SPHERE/ VLT/ Bohn et al./ Astronomie.nl.

Astronomers have discovered many giant planets, similar to Jupiter or Saturn, orbiting other stars. Some of these – called hot Jupiters – are unlike any planets in our solar system, however, circling much closer to their stars than any of our sun’s planets orbit the sun. Hot Jupiters appear to be quite common, even though none exist in our own solar system. This spring (April, 2021), astronomers at Leiden University announced an opposite planet of sorts, a giant world called YSES 2b, orbiting much kauemmas out from its star than has typically been seen before. The researchers captured a direct image of this planet, something not easy to do. The planet orbits its star a whopping 20 times farther than Jupiter orbits our sun. That’s the equivalent of 110 times the distance from Earth to the sun.

The details of the discovery were published in the peer-reviewed journal Tähtitiede ja astrofysiikka on April 19, 2021.

YSES 2b is located 360 light-years away, in the direction to the southern constellation Musca the Fly. It is a young gas giant six times more massive than Jupiter. Other similar gas giants have been found before, but this one is a bit different.

Artist’s concept of a young gas giant exoplanet, similar to YSES 2b. Image via Danielle Futselaar/ Franck Marchis/ SETI Institute/ The Conversation.

The researchers don’t yet know why the planet is so far from its star. Scientists normally have two models – core accretion and disk instability – to explain the formation of such large planets, but this giant world doesn’t seem to fit either of them.

The first, core accretion, says that the planet formed where it is, due to planetesimals collecting together to form a rocky core, heavy enough to collect gas around it. But if that were the case, it is far too heavy. This is because there is generally too little material that far out from a star to make a planet that big.

The other theory, disk instability, is that the planet formed by a gravitational instability in the original circumstellar disk of material that surrounds a young star (and this star is only 14 million years old, still a baby star if you will). But, the planet we see now isn’t heavy enough for that process to have created it.

What other possibilities are there? The scientists think that it is possible the planet first formed by core accretion closer to the star, but then migrated outwards to a much more distant orbit. For that to work, however, the gravitational influence of a second planet would be needed, and such a planet hasn’t been found yet.

The discovery team was led by Alexander Bohn at Leiden University. Image via Leiden University.

YSES 2b was discovered as part of the Young Suns Exoplanet Survey (YSES). Researchers will continue to study this peculiar world as well as search for more planets orbiting young sun-like stars. Lead author Alexander Bohn at Leiden University stated that:

By investigating more Jupiter-like exoplanets in the near future, we will learn more about the formation processes of gas giants around sun-like stars.

At the moment, only large planets like YSES 2b can be directly imaged, and even then still just look like a bright dot. Distant Earth-sized worlds are too small for telescopes to observe, but that will change in the years ahead as the technology advances.

In 2020, the telescope used for YSES, the Very Large Telescope (VLT) in Chile, also imaged a multi-planet system around the sun-like star TYC 8998-760-1, which is 300 light-years away. This was the first multi-planet system ever imaged directly, with the first detections made in 2018 and 2020. A special planet finder instrument, called SPHERE, on the telescope was used to obtain the images. This instrument can capture both direct and indirect light coming from exoplanets. Bohn said at the time:

This discovery is a snapshot of an environment that is very similar to our solar system, but at a much earlier stage of its evolution.

There are two formation scenarios for planets, the Core Accretion Model and the Disk Instability Model. At present, the formation of YSES 2b is difficult to explain by either model. Image via NASA/ ESA/ A. Feild/ Sky & Telescope.

Even though astronomers have indirectly detected thousands of planets in our galaxy, only a tiny fraction of these exoplanets have been directly imaged. Direct observations are important in the search for environments that can support life.

The discovery of YSES 2b provides a challenge to astronomers in terms of how it formed, and will help scientists better understand planetary formation processes.

Bottom line: Astronomers have directly imaged a giant gas exoplanet that has an unusually large orbit.