Por primera vez, miden potentes vientos estratosféricos en Júpiter

18 Marzo, 2021 / Tiempo de lectura: 11 minutes

Utilizando el conjunto ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), un equipo de astrónomos ha medido por primera vez, de forma directa, los vientos de la atmósfera media de Júpiter. Al analizar las secuelas de una colisión de cometas que tuvo lugar en la década de 1990, los investigadores han revelado que, cerca de los polos de Júpiter, se desencadenaron vientos de una enorme potencia, con velocidades de hasta 1450 kilómetros por hora. Podrían representar lo que el equipo ha descrito como una "bestia meteorológica única en nuestro Sistema Solar".

Júpiter es famoso por sus distintivas bandas rojas y blancas: nubes arremolinadas de gas en movimiento que los astrónomos utilizan tradicionalmente para rastrear los vientos de la atmósfera inferior de Júpiter. Los astrónomos también han visto, cerca de los polos de Júpiter, los vívidos resplandores conocidos como auroras, que parecen estar asociados con fuertes vientos en la atmósfera superior del planeta. Pero, hasta ahora, los investigadores nunca habían podido medir de forma directa los patrones de los vientos que tienen lugar entre estas dos capas atmosféricas, en la estratosfera.

Medir las velocidades del viento en la estratosfera de Júpiter utilizando técnicas de seguimiento de nubes es imposible debido a la ausencia de nubes en esta parte de la atmósfera. Sin embargo, los astrónomos obtuvieron una ayuda alternativa para poder llevar a cabo estas mediciones: el cometa Shoemaker-Levy 9, que colisionó con el gigante gaseoso de manera espectacular en 1994. Este impacto produjo nuevas moléculas en la estratosfera de Júpiter, donde se han estado moviendo con los vientos desde entonces.

Un equipo de astrónomos, dirigido por Thibault Cavalié, del Laboratorio de Astrofísica de Burdeos (Francia), ha rastreado una de estas moléculas - cianuro de hidrógeno - para medir directamente los "chorros" estratosféricos en Júpiter. Los científicos usan la palabra "chorros" para referirse a bandas estrechas de viento en la atmósfera, como las corrientes de chorro de la Tierra.

“El resultado más espectacular es la presencia de fuertes chorros, con velocidades de hasta 400 metros por segundo, que se encuentran bajo la aurora, cerca de los polos”, afirma Cavalié. Estas velocidades de viento, equivalentes a unos 1450 kilómetros por hora, son más del doble de las velocidades máximas de tormenta alcanzadas en la Gran Mancha Roja de Júpiter y más del triple de la velocidad del viento medida en los tornados más fuertes de la Tierra.

“Nuestra detección indica que estos chorros podrían comportarse como un vórtice gigante con un diámetro de hasta cuatro veces el de la Tierra y unos 900 kilómetros de altura”, explica el coautor, Bilal Benmahi, también del Laboratorio de Astrofísica de Burdeos. “Un vórtice de este tamaño sería una bestia meteorológica única en nuestro Sistema Solar”, añade Cavalié.

Los astrónomos conocían los fuertes vientos que hay cerca de los polos de Júpiter, pero en una parte mucho más alta de la atmósfera, cientos de kilómetros por encima del área en la que se centra el nuevo estudio, que se publica hoy en la revista Astronomy & Astrophysics. Estudios previos predijeron que estos vientos de la atmósfera superior disminuirían en velocidad y desaparecerían mucho antes de llegar a una zona tan profunda como la estratosfera. Según Cavalié, “Los nuevos datos de ALMA nos dicen lo contrario”, y añade que encontrar estos fuertes vientos estratosféricos cerca de los polos de Júpiter fue una "verdadera sorpresa".

El equipo utilizó 42 de las 66 antenas de alta precisión de ALMA, ubicadas en el desierto de Atacama, en el norte de Chile, para analizar las moléculas de cianuro de hidrógeno que se han estado moviendo en la estratosfera de Júpiter desde el impacto de Shoemaker-Levy 9. Los datos de ALMA les permitieron medir el efecto Doppler —pequeños cambios en la frecuencia de la radiación emitida por las moléculas— causado por los vientos en esta región del planeta. “Al medir este cambio, pudimos deducir la velocidad de los vientos de manera muy similar a como se hace para deducir la velocidad de un tren que pasa por el cambio en la frecuencia del silbato del tren”, explica el coautor del estudio, Vincent Hue, científico planetario del Instituto de Investigación Southwest, en Estados Unidos.

Además de los sorprendentes vientos polares, el equipo utilizó ALMA para confirmar, también por primera vez, la existencia de fuertes vientos estratosféricos alrededor del ecuador del planeta midiendo directamente su velocidad. Los chorros detectados en esta parte del planeta tienen velocidades medias de unos 600 kilómetros por hora.

El tiempo de telescopio empleado por ALMA para llevar a cabo las observaciones con las que se rastrearon los vientos estratosféricos, tanto en los polos como en el ecuador de Júpiter, fue de menos de 30 minutos. “Los altos niveles de detalle que logramos en este corto espacio de tiempo demuestran realmente la capacidad de las observaciones de ALMA”, dice Thomas Greathouse, científico del Instituto de Investigación Southwest (EE.UU.) y coautor del estudio. “Para mí es asombroso poder ver la primera medición directa de estos vientos”.

“Estos resultados de ALMA abren una nueva ventana para el estudio de las regiones de Júpiter con auroras, algo realmente inesperado hace tan solo unos meses”, afirma Cavalié. “También preparan el escenario para mediciones similares, pero más extensas, que realizarán la misión JUICE y su instrumento de ondas submilimétricas”, añade Greathouse, refiriéndose al JUpiter ICy moons Explorer (explorador de las lunas heladas de Júpiter) de la Agencia Espacial Europea, que se espera se lance al espacio el próximo año.

El Telescopio Extremadamente Grande (ELT) de ESO, basado en tierra y que verá su primera luz a finales de esta década, también explorará Júpiter. El ELT será capaz de hacer observaciones muy detalladas de las auroras del planeta, dándonos más información sobre su atmósfera.

Información adicional

Este trabajo de investigación se presenta en el artículo científico "First direct measurement of auroral and equatorial jets in the stratosphere of Jupiter", publicado hoy en la revista Astronomy & Astrophysics (doi:10.1051/0004-6361/202140330).

El equipo está formado por T. Cavalié (Laboratorio de Astrofísica de Burdeos [LAB], Francia, y LESIA, Observatorio de París, Universidad de Investigación PSL [LESIA], Francia); B. Benmahi (LAB); V. Hue (Instituto de Investigación Southwest [SwRI], EE.UU.); R. Moreno (LESIA), E. Lellouch (LESIA); T. Fouchet (LESIA); P. Hartogh (Instituto Max-Planckt para la Investigación del Sistema Solar [MPS], Alemania); L. Rezac (MPS); T. K. Greathouse (SwRI); G. R. Gladstone (SwRI); J. A. Sinclair (Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), Instituto Tecnológico de California, EE.UU.); M. Dobrijevic (LAB); F. Billebaud (LAB) y C. Jarchow (MPS).

El comunicado de prensa original fue publicado por el Observaotario Europeo Austral (ESO, por su sigla en inglés), socio de ALMA en nombre de Europa.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

Imágenes

Esta imagen es una representación artística de los vientos en la estratosfera de Júpiter cerca del polo sur del planeta. Las líneas azules representan las velocidades del viento. Estas líneas se superponen sobre una imagen real de Júpiter, tomada por el instrumento JunoCam, a bordo de la nave espacial Juno, de la NASA. Las famosas bandas de nubes de Júpiter se encuentran en la atmósfera inferior, donde los vientos se han medido previamente. Pero rastrear los vientos justo por encima de esta capa atmosférica, en la estratosfera, es mucho más difícil, ya que allí no hay nubes. Al analizar las secuelas de una colisión de cometas de la década de 1990 y utilizar el telescopio ALMA, los investigadores han sido capaces de revelar la presencia de vientos estratosféricos increíblemente potentes cerca de los polos de Júpiter con velocidades de hasta 1450 kilómetros por hora. Crédito: ESO/L. Calçada & NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

Esta imagen, tomada con el telescopio MPG/ESO de 2,2 metros y el instrumento IRAC, muestra al cometa Shoemaker Levy 9 impactando sobre Júpiter en julio de 1994. Crédito: ESO

Asombrosa imagen de Júpiter tomada en luz infrarroja en la noche del 17 de Agosto de 2008 con el instrumento prototipo Demostrador de Óptica Adaptativa Multi-Conjugada (MAD) montado en el Very Large Telescope de ESO. Esta foto en falso color es la combinación de una serie de imágenes tomadas durante un lapso de tiempo de aproximadamente 20 minutos, a través de tres filtros diferentes (2; 2,14, y 2,16 micrones). La nitidez de la imagen obtenida es cerca de 90 mili-arcosegundos a través del disco planetario entero, un verdadero récord en imágenes similares tomadas desde la Tierra. Esto corresponde a ver detalles de cerca de 300 kilómetros de ancho en la supericie del planeta gigante. La gran mancha roja no es visible en esta imagen ya que estaba en el otro lado del planeta durante las observaciones. Las observaciones fueron hechas en longitudes de onda infrarrojas donde la absorción debida al hidrógeno y metano es fuerte. Esto explica por qué los colores son diferentes de cómo vemos normalmente a Júpiter en luz visible. Esta absorción significa que la luz sólo puede ser reflejada de vuelta desde las neblinas de gran altitud, y no desde nubes más profundas. Estas neblinas se encuentran en la parte superior muy estable de la troposfera de Júpiter, donde las presiones están entre 0,15 y 0,3 bares. La mezcla es débil dentro de esta región estable, así que las partículas de neblina minúsculas pueden sobrevivir desde días hasta años, dependiendo de su tamaño y velocidad de caída. Adicionalmente, cerca de los polos del planeta, se genera una neblina estratosférica superior (regiones azul claro) por interacciones con las partículas atrapadas en el intenso campo magnético de Júpiter. Crédito: ESO/F. Marchis, M. Wong, E. Marchetti, P. Amico, S. Tordo

Videos

Esta animación de Júpiter fue creada a partir de imágenes reales tomadas con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA. En el hemisferio sur del planeta pueden verse, en marrón oscuro, los lugares de impacto de los fragmentos del cometa Shoemaker-Levy 9, que se precipitó sobre Júpiter en 1994. Crédito:ESO/M. Kornmesser, NASA/ESA

En este video vemos una representación artística animada de los vientos en la estratosfera de Júpiter, cerca del polo sur del planeta, donde las líneas azules representan las velocidades del viento. Estas líneas se superponen sobre una imagen real de Júpiter, tomada por el instrumento JunoCam, a bordo de la nave espacial Juno de la NASA.

Las famosas bandas de nubes de Júpiter se encuentran en la atmósfera inferior, donde los vientos se habían medido con anterioridad. Pero rastrear los vientos justo por encima de esta capa atmosférica, en la estratosfera, es mucho más difícil, ya que allí no hay nubes. Al analizar las secuelas de una colisión de cometas de la década de 1990 y utilizar el telescopio ALMA, los investigadores han sido capaces de revelar la presencia de vientos estratosféricos increíblemente potentes cerca de los polos de Júpiter con velocidades de hasta 1450 kilómetros por hora. Crédito:ESO/L. Calçada & NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS