NASA's James Webb-ruimtetelescoop heeft een hogesnelheidsstraalvliegtuig in de atmosfeer van Jupiter ontdekt, dat zich met een snelheid van 320 mijl per uur voortbeweegt en zich 24 tot 48 kilometer boven de hoofdwolken bevindt. Het straalvliegtuig is meer dan 5.000 kilometer breed en reist veel sneller dan de wolken die eronder zichtbaar zijn, waardoor ingewikkelde details over de dynamiek van de atmosfeer van Jupiter worden onthuld.

Nabij-infraroodwaarnemingen van Jupiter met behulp van NASA's James Webb-ruimtetelescoop (achtergrond) hebben voorheen onopgemerkte winden op grote hoogte ontdekt, vergelijkbaar met de jets van de aarde (rode pijl) in een smal gebied boven de evenaar. Volgens metingen van NASA's Hubble-ruimtetelescoop stromen deze winden met bijna tweemaal de snelheid van de wind in zichtbare wolken (blauwe pijlen) beneden 32 kilometer lager. Bron: M.H. Wong, Universiteit van Californië, Berkeley; R. Hueso, Universiteit van Baskenland; NASA; ESA; CSA; STScI; I. dePater, Universiteit van Californië, Berkeley; T. Fouchet, Observatorium van Parijs; L. Fletcher, Universiteit van Leicester.

NASA's James Webb-ruimtetelescoop heeft een snel bewegend straalvliegtuig in de atmosfeer van Jupiter ontdekt dat twee keer zo snel reist als de wolken eronder die zichtbaar zijn, waardoor een windschering ontstaat die veel groter is dan alles wat op aarde te zien is.

Met een snelheid van 515 kilometer per uur en een breedte van meer dan 4800 kilometer bevindt dit hogesnelheidsvliegtuig zich boven de evenaar van Jupiter, 25 tot 50 kilometer boven de bekende hoofdwolken die te zien zijn op optische foto's.

Deze afbeelding van Jupiter, gemaakt met de NIRCam (Near Infrared Camera) van NASA's James Webb Space Telescope, toont deze prachtige planeet in verbluffend detail in infrarood licht. In deze afbeelding vertegenwoordigt helderheid de hoogte. De talrijke helderwitte ‘vlekken’ en ‘strepen’ zijn waarschijnlijk wolkentoppen die zijn gecondenseerd door convectiestormen op grote hoogte. Aurora's, in deze afbeelding in rood weergegeven, strekken zich hoog uit in de hemel boven de noord- en zuidpool van de aarde. Daarentegen kent de donkere band ten noorden van de evenaar vrijwel geen bewolking. In Webbs afbeelding van Jupiter uit juli 2022 ontdekten onderzoekers onlangs een smal straalvliegtuig dat met een snelheid van 515 kilometer per uur boven de hoofdwolken boven de evenaar van Jupiter vloog. Bron: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imkede Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatorium van Parijs), Leigh Fletcher (Universiteit van Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI)

Vergelijking met Hubble-observatiegegevens

Volgens waarnemingen van NASA's Hubble-ruimtetelescoop bedragen de windsnelheden in zichtbare wolken ongeveer 180 mijl per uur (250 kilometer per uur). Dit betekent dat voor elke extra kilometer boven deze zichtbare wolken de windsnelheid met 7 tot 10 kilometer per uur toeneemt, zegt Ricardo Hueso, hoofdauteur van een artikel waarin de bevindingen worden beschreven die onlangs zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy.

“Dit was volkomen onverwacht”, zegt Huso van de Universiteit van Baskenland in Bilbao, Spanje. "Terwijl we altijd een wazige waas in de atmosfeer van Jupiter hadden gezien, zien we nu duidelijke kenmerken en kunnen we de snelle rotatie van Jupiter volgen, die veel sneller beweegt dan de typische snelheden die worden aangetroffen in de equatoriale wolken van Jupiter."

Onderzoekers gebruikten de Near Infrared Camera (NIRCam) van NASA's James Webb Space Telescope om hogesnelheidsjets boven de evenaar van Jupiter, boven de hoofdwolken, te ontdekken. Op een golflengte van 2,12 micron, ongeveer 20 tot 35 kilometer boven de wolken van Jupiter, vonden de onderzoekers verschillende windscheren, gebieden waar de windsnelheid verandert met de hoogte of afstand, waardoor ze de jets konden volgen. Deze afbeelding benadrukt verschillende kenmerken rond de evenaar van Jupiter die heel duidelijk worden verstoord door de beweging van de jets tussen één rotatie van Jupiter (10 uur). Bron: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imkede Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatorium van Parijs), Leigh Fletcher (Universiteit van Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI)

De ontdekking van dit straalvliegtuig geeft inzicht in hoe de lagen van de beroemde turbulente atmosfeer van Jupiter met elkaar interacteren, en hoe Webb op unieke wijze in staat is deze kenmerken te volgen.

Geavanceerde beeldtechnologie van de Webb-telescoop

De nieuwe afbeelding van Jupiter werd in juli 2022 gemaakt door de Near Infrared Camera (NIRCam) van de Webb Telescope als onderdeel van het Early Release Science (ERS)-programma. De ERS-waarnemingen van het Jupitersysteem werden mede geleid door Imkede Pater, emeritus hoogleraar astronomie aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en Thierry Fouchet van het Observatorium van Parijs.

De algehele structuur van lintwinden in de atmosfeer van Jupiter, gereconstrueerd op basis van waarnemingen op zichtbare golflengten (witte omtrek) en verschillende filters die in het onderzoek zijn gebruikt (gekleurde lijnen). De achtergrondafbeelding is een kleurencombinatie van de wazig-gevoelige bovenste afbeelding van JWST. De afbeelding rechts is een close-up van de centrale smalle straal boven het equatoriale gebied. Afbeelding tegoed: NASA/ESA/CSA en Jupiter Early Release Science Team

"Terwijl de veranderende weerpatronen van het Jupiter-systeem zijn waargenomen door verschillende telescopen op de grond, ruimtevaartuigen zoals NASA's Juno en Cassini, en NASA's Hubble-ruimtetelescoop, heeft de Webb-telescoop nieuwe ontdekkingen opgeleverd over de ringen, manen en atmosfeer van Jupiter", aldus dePater.

NIRCam gebruikte vier verschillende filters om beelden van Jupiter te verkrijgen met een tussenpoos van 10 uur (één Jupiterdag). Elk filter kan kleine karakteristieke veranderingen op verschillende hoogten in de atmosfeer van Jupiter detecteren. Windsnelheden werden berekend door de beweging van kleine objecten zoals wolken te volgen, die waarschijnlijk bestaan ​​uit ammoniakijs vermengd met fotochemische smogdeeltjes die typisch zijn voor de atmosfeer van Jupiter.

"We wisten dat de verschillende golflengten van Webb en Hubble de driedimensionale structuur van de stormwolken zouden onthullen, maar we konden ook de tijdelijke aard van de gegevens gebruiken om te zien hoe snel de stormen zich ontwikkelden", zegt co-auteur Michael Wong van de University of California, Berkeley, en mede-onderzoeker van het ERS-programma over het Jupiter-systeem.

De atmosfeer van Jupiter is gelaagd, en deze illustratie laat zien hoe de Webb-telescoop op unieke wijze in staat is om informatie te verzamelen van grotere hoogten dan voorheen. Wetenschappers konden de Webb-telescoop gebruiken om windsnelheden in verschillende lagen van de atmosfeer van Jupiter te bepalen, waardoor ze hogesnelheidsjets konden isoleren. Waarnemingen van Jupiter werden uitgevoerd in drie verschillende filters, gescheiden door 10 uur, oftewel één Jupiterdag, en elk filter was in staat kleine karakteristieke veranderingen op verschillende hoogten in de atmosfeer van Jupiter te detecteren. Bron: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imkede Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatorium van Parijs), Leigh Fletcher (Universiteit van Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley), Andi James (STScI)

Inzicht in stratosferische verschijnselen

De hogesnelheidsstraal zou de diepgewortelde tegenhanger kunnen zijn van een complex fenomeen dat al tientallen jaren op Jupiter, Saturnus en de Aarde wordt waargenomen: regelmatige schommelingen in temperatuur en wind die zich hoog in de stratosfeer van de atmosfeer van deze planeten voordoen. Op Jupiter bevinden deze equatoriale thermische oscillaties zich 30 tot 150 kilometer boven zichtbare wolken en hebben een periode van 4 tot 6 jaar.

Teamlid Leigh Fletcher van de Universiteit van Leicester, VK, zei: "De equatoriale stratosfeer van Jupiter heeft een complex maar herhaalbaar wind- en temperatuurpatroon dat hoger is dan de wind gemeten in wolken en nevel op deze golflengten. Als de kracht van deze nieuwe jet verband houdt met oscillatiepatronen in de stratosfeer, kunnen we verwachten dat de jet de komende twee tot vier jaar aanzienlijk zal veranderen. Het zal heel spannend zijn om deze theorie de komende jaren te testen."

Details van windsnelheden gemeten door de Webb- en Hubble-ruimtetelescopen in meters per seconde. Afbeelding tegoed: M.H.Wong, Universiteit van Californië, Berkeley; R.Hueso, Universiteit van Baskenland; NASA; ESA; CSA; STScI; I.dePater, Universiteit van Californië, Berkeley; T.Fouchet, Observatorium van Parijs; L.Fletcher, Universiteit van Leicester

Inzicht in de lintjets van Jupiter

Hueso merkte op dat jets een van de belangrijkste kenmerken zijn van de atmosfeer van Jupiter en Saturnus. Deze jets zijn perfect uitgelijnd met de breedtegraad en worden daarom lintjets genoemd. Deze bandvormige arrangementen zijn het resultaat van de snelle rotatie van de planeten (zowel Jupiter als Saturnus hebben een rotatieperiode van ongeveer 10 uur), wat resulteert in een evenwicht tussen de Corioliskracht en de breedtedrukgradiënt.

Op Jupiter en Saturnus zijn de jets grotendeels stabiel in de tijd, met slechts kleine veranderingen in de wolken die over jaren of decennia worden waargenomen.

‘Het opwindende vind ik dat vóór JWST niemand aan zo’n smalle, snelle jet had gedacht. We weten dat er zo’n smalle jet op Saturnus is, dus het vinden van vergelijkbare kenmerken op Jupiter maakt nieuwe vergelijkende studies van de twee reuzenplaneten mogelijk, ook al zijn de vormingsmechanismen van de jets van Jupiter verschillend’, zegt Wong.

Astronomen, waaronder dePater en Wong, gebruiken al lang telescopen op de grond en in de ruimte om Jupiter te observeren in microgolf-, infrarood-, zichtbare en ultraviolette golflengten om de lagere en diepere lagen van de atmosfeer van Jupiter te bestuderen, waar gigantische stormen en ammoniakijswolken bestaan. Het nabij-infrarode golflengtebereik van de Webb-telescoop is verder dan voorheen en is gevoelig voor de bovenste atmosfeer, ongeveer 25 tot 50 kilometer boven de wolkentoppen van Jupiter.

Hoewel deze nevels op grote hoogte in vroege nabij-infraroodbeelden vaak wazig lijken, kan de Webb-telescoop naarmate het equatoriale gebied helderder wordt, fijnere details in de heldere nevelbanden waarnemen.